專利名稱：一種聚合物微納米復(fù)合纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁場輔助的低壓近場靜電紡絲制備聚合物微納米復(fù)合纖維的新工藝，特別是一種聚合物微納米復(fù)合纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
靜電紡絲是一種簡單易行的制備聚合物微納米纖維的方法，具有設(shè)備操作簡單、實驗成本低、適用材料廣、生產(chǎn)的纖維比表面積大等優(yōu)點，是目前制備微納米纖維的重要技術(shù)之一。靜電紡絲的原理和實驗設(shè)備都比較簡單，直流高壓電源的正極與注射器針頭相連，負(fù)極與一塊鋁箔(收集極)相連并接地；高壓電源工作后，在注射器針頭和鋁箔之間形成了高壓靜電場；紡絲溶液在高壓電場的作用下極化帶電，從針頭噴射出來形成射流，帶電射流在到達(dá)鋁箔之前在空氣中拉伸或劈裂細(xì)化，同時溶劑揮發(fā)纖維固化，最后沉積在鋁箔上形成微納米纖維薄膜。傳統(tǒng)靜電紡絲的注射器針尖和接地鋁箔的間距一般在8-20厘米，在兩者間加的電壓高達(dá)上萬伏甚至幾十萬伏，這對實驗操作人員有一定的安全隱患，也影響了靜電紡絲裝置在教學(xué)及生活等方面的推廣應(yīng)用。為了提高實驗的安全性，降低紡絲電壓是解決問題的關(guān)鍵之一，針對這個問題，國內(nèi)外已有部分文獻報道，專利號為ZL201020156420. 6的中國專利公開了一種便攜式低壓近場靜電紡絲裝置，通過降低紡絲距離到幾個毫米，使得紡絲電壓相應(yīng)也降低了一個數(shù)量級，2-3千伏的電壓即可實現(xiàn)微納米纖維的制備；專利號為ZL201010184068.1的中國專利公開了一種低壓離心靜電紡絲技術(shù)，在常規(guī)靜電紡絲的基礎(chǔ)上，嘗試用離心力部分取代電場力對纖維進行紡絲，針頭與收集極的間距控制在2-5厘米，紡絲電壓可降低至2-5千伏；關(guān)于磁場輔助的常規(guī)靜電紡絲技術(shù)也有報道，Yang等(Advanced Materials, 2007, 19, 3702-3706)公開了一種磁電紡絲技術(shù)來制備有序排列的納米纖維；東華大學(xué)吳玥博士(吳玥，博士學(xué)位論文引入磁場的靜電紡絲技術(shù)及其對非穩(wěn)態(tài)流動控制機理的研究，東華大學(xué)，2008)研究了磁場對靜電紡絲過程的影響；中國專利(專利號ZL201020033366. 6)提出了在聚合物射流拉伸過程中外加一個可調(diào)磁場強度的靜磁場，改善高分子的結(jié)晶行為，彌補傳統(tǒng)靜電紡絲纖維結(jié)晶度低和機械強度差等缺點；將磁場輔助與低壓近場靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合制備微納米纖維的方法，目前尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設(shè)計提供一種磁場輔助的低壓近場靜電紡絲制備聚合物微納米復(fù)合纖維的新工藝，在低壓近場靜電紡絲法的基礎(chǔ)上，用磁場力部分或完全取代電場力對纖維進行拉伸紡絲制備微納米纖維，避免外加實驗裝置和操作的復(fù)雜性，降低紡絲電壓，便于控制纖維在襯底上的沉積位置。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在常規(guī)的低壓近場靜電紡絲裝置上，用磁場力部分取代電場力對纖維進行拉伸紡絲，用低紡絲電壓制備聚合物微納米復(fù)合纖維，其具體工藝步驟如下
(I):紡絲溶液的配制先將分子量為130萬的聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 2. 6克溶解在17. 4克乙醇溶液中，磁場力攪拌兩小時使溶液均勻穩(wěn)定，配制成質(zhì)量百分比為13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再向配制好的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中加入O. 4克十二烷基苯磺酸鈉和O. 2克Y-Fe2O3磁性納米顆粒，超聲振蕩一小時后即得到摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液；(2)、裝置的調(diào)節(jié)通過螺旋測微儀的右端的調(diào)節(jié)旋鈕將注射器針頭與收集極之間的紡絲距離調(diào)節(jié)為8毫米；直流高壓電源的電源正極線與注射器針頭電信息連接，電源負(fù)極線與磁鐵電信息連接，磁鐵上粘貼式制有蓋玻片作為收集極；打開直流高壓電源的開關(guān)，將電源電壓初始值設(shè)為3千伏，在注射器針頭與收集極之間形成高壓電場，磁鐵使注射器針頭與收集極之間也存在磁場，裝置調(diào)節(jié)完成；(3)、微納米復(fù)合纖維的制備將配制好的摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液滴加到注射器針尖上，在高壓電場的電場力和磁鐵產(chǎn)生的磁場力共同作用下，紡絲溶液形成帶電射流傳遞到收集極上，制得PVP/ Y -Fe2O3聚合物微納米復(fù)合纖維。本發(fā)明使用的磁場輔助的低壓近場靜電紡絲裝置的主體結(jié)構(gòu)包括電源負(fù)極線、注射器針頭、磁鐵、收集極、螺旋測微儀、調(diào)節(jié)旋鈕、聚合物微納米復(fù)合纖維、電源正極線、注射器、鐵架臺、固定裝置、直流高壓電源和射流；直流高壓電源的電源正極線與注射器針頭電信息連接，兩個鐵架臺分別通過固定裝置固定制有注射器和螺旋測微儀，注射器和螺旋測微儀在同一水平線上；螺旋測微儀的前端固定制有磁鐵，磁鐵與直流高壓電源的電源負(fù)極線電信息連接，磁鐵上粘貼式制有蓋玻片作為收集極；螺旋測微儀的右端固定制有調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)旋鈕控制紡絲間距；注射器的右端連接有注射器針頭，注射器針頭指向磁鐵的正中心；磁場強度通過更換磁鐵或者在磁鐵上加通電螺線管調(diào)節(jié)與控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，同時具有近場靜電紡絲和磁場輔助靜電紡絲的優(yōu)點，在磁場的輔助下，紡絲電壓可以進一步降低，降低幅度與磁場強度和紡絲間距有關(guān)；其工藝過程簡單，操作安全，紡絲電壓低，紡絲間距短，紡絲纖維沉積位置易控，可紡磁性纖維，使用的裝置結(jié)構(gòu)簡單，制備成本低，能同時演示近場靜電紡絲和磁場輔助靜電紡絲。


圖1為本發(fā)明使用的磁場輔助低壓近場靜電紡絲裝置主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明制備的摻雜Y -Fe2O3納米顆粒的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)微納米復(fù)合纖維的掃描電鏡(SEM)照片，其中圖(a)為磁場強度30mT、電壓2. 12千伏、紡絲間距8毫米條件下制備的微納米復(fù)合纖維；圖(b)為磁場強度90mT、電壓2. 05千伏、紡絲間距8毫米條件下制備的微納米復(fù)合纖維。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本實施例在常規(guī)低壓近場靜電紡絲裝置的基礎(chǔ)上，用磁場力部分取代電場力對纖維進行拉伸紡絲，用低紡絲電壓制備聚合物微納米復(fù)合纖維，其具體工藝步驟如下(I):紡絲溶液的配制先將分子量為130萬的聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 2. 6克溶解在17. 4克乙醇溶液中，磁場力攪拌兩小時使溶液均勻穩(wěn)定，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再向配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中加Λ O. 4克十二烷基苯磺酸鈉和O. 2克Y -Fe2O3磁性納米顆粒，超聲振蕩一小時后即得到摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液；(2)、裝置的調(diào)節(jié)通過螺旋測微儀5的右端的調(diào)節(jié)旋鈕6將注射器針頭2與收集極4之間的紡絲距離調(diào)節(jié)為8毫米；直流高壓電源12的電源正極線8與注射器針頭2電信息連接，電源負(fù)極線I與磁鐵3電信息連接，磁鐵3上粘貼式制有蓋玻片作為收集極4 ;打開直流高壓電源12的開關(guān)，將電源電壓初始值設(shè)為3千伏，在注射器針頭2與收集極4之間形成高壓電場，磁鐵3使注射器針頭2與收集極4之間也存在磁場，裝置調(diào)節(jié)完成；(3)、微納米復(fù)合纖維的制備將配制好的摻雜有磁性納米顆粒紡絲溶液滴加到注射器針尖2上，在高壓電場的電場力和磁鐵3產(chǎn)生的磁場力共同作用下，紡絲溶液形成帶電射流13傳遞到收集極4上，制得PVP/ Y -Fe2O3聚合物微納米復(fù)合纖維7。本實施例使用的磁場輔助的低壓近場靜電紡絲裝置的主體結(jié)構(gòu)包括電源負(fù)極線1、注射器金屬針頭2、方形磁鐵3、收集極4、螺旋測微儀5、調(diào)節(jié)旋鈕6、聚合物微納米復(fù)合纖維7、電源正極線8、注射器9、鐵架臺10、固定裝置11、直流高壓電源12和射流13 ;直流高壓電源12的電源正極線8與注射器針頭2電信息連接，兩個鐵架臺10分別通過固定裝置11固定制有注射器9和螺旋測微儀5，注射器9和螺旋測微儀5在同一水平線上；螺旋測微儀5的前端固定制有磁鐵3，磁鐵3與直流高壓電源12的電源負(fù)極線I電信息連接，磁鐵3上粘貼式制有蓋玻片作為收集極4 ;螺旋測微儀5的右端固定制有調(diào)節(jié)旋鈕6，調(diào)節(jié)旋鈕6控制紡絲間距；注射器9的右端連接有注射器針頭2，注射器針頭2指向磁鐵3的正中心；磁場強度通過更換磁鐵3或者在磁鐵3上加通電螺線管調(diào)節(jié)與控制。實施例1 :本實施例將注射器針頭2與收集極4之間的紡絲距離保持在8毫米，采用高斯計測得磁鐵3在注射器針頭2處產(chǎn)生的磁場強度為30mT，不斷降低直流高壓電源12的輸出電壓值，重復(fù)上述實驗過程， 直到不再紡絲為止，實驗表明磁場強度為30mT的最低紡絲電壓值為2. 12千伏。實施例2 本實施例采用一塊新的磁鐵3，用高斯計測得新的磁鐵3在注射器針頭2處產(chǎn)生的磁場強度為90mT，保持注射器針頭2與收集極4之間的紡絲距離為8毫米，重復(fù)上述實驗，實驗表明，在磁場強度為90mT時，8毫米間距的最低紡絲電壓為2. 05千伏。實施例3 本實施例不加磁鐵3，其他紡絲裝置和紡絲溶液保持一致，8毫米間距的最低紡絲電壓(臨界電壓)為2. 28千伏。上述實施例表明，磁鐵3的加入降低了臨界電壓，隨著磁場強度的增加，高壓電源需提供的最低紡絲電壓(臨界電壓)逐漸降低。
權(quán)利要求
1.一種聚合物微納米復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于在常規(guī)的低壓近場靜電紡絲裝置上，用磁場力部分取代電場力對纖維進行拉伸紡絲，用低紡絲電壓制備聚合物微納米復(fù)合纖維，其具體工藝步驟如下 (1):紡絲溶液的配制先將分子量為130萬的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)2.6克溶解在17. 4克乙醇溶液中，磁場力攪拌兩小時使溶液均勻穩(wěn)定，配制成質(zhì)量百分比為13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再向配制好的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中加入O. 4克十二烷基苯磺酸鈉和O. 2克Y -Fe2O3磁性納米顆粒,超聲振蕩一小時后即得到摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液； (2)、裝置的調(diào)節(jié)通過螺旋測微儀的右端的調(diào)節(jié)旋鈕將注射器針頭與收集極之間的紡絲距離調(diào)節(jié)為8毫米；直流高壓電源的電源正極線與注射器針頭電信息連接，電源負(fù)極線與磁鐵電信息連接，磁鐵上粘貼式制有蓋玻片作為收集極；打開直流高壓電源的開關(guān)，將電源電壓初始值設(shè)為3千伏，在注射器針頭與收集極之間形成高壓電場，磁鐵使注射器針頭與收集極之間也存在磁場，裝置調(diào)節(jié)完成； (3)、微納米復(fù)合纖維的制備將配制好的摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液滴加到注射器針尖上，在高壓電場的電場力和磁鐵產(chǎn)生的磁場力共同作用下，紡絲溶液形成帶電射流傳遞到收集極上，制得PVP/ Y -Fe2O3聚合物微納米復(fù)合纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物微納米復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于使用的磁場輔助的低壓近場靜電紡絲裝置的主體結(jié)構(gòu)包括電源負(fù)極線、注射器針頭、磁鐵、收集極、螺旋測微儀、調(diào)節(jié)旋鈕、聚合物微納米復(fù)合纖維、電源正極線、注射器、鐵架臺、固定裝置、直流高壓電源和射流；直流高壓電源的電源正極線與注射器針頭電信息連接，兩個鐵架臺分別通過固定裝置固定制有注射器和螺旋測微儀，注射器和螺旋測微儀在同一水平線上；螺旋測微儀的前端固定制有磁鐵，磁鐵與直流高壓電源的電源負(fù)極線電信息連接，磁鐵上粘貼式制有蓋玻片作為收集極；螺旋測微儀的右端固定制有調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)旋鈕控制紡絲間距；注射器的右端連接有注射器針頭，注射器針頭指向磁鐵的正中心；磁場強度通過更換磁鐵或者在磁鐵上加通電螺線管調(diào)節(jié)與控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種聚合物微納米復(fù)合纖維的制備方法，先將聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙醇溶液中攪拌均勻，配制成聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再向聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉和γ-Fe2O3磁性納米顆粒，超聲振蕩后得到摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液；將配制好的摻雜有磁性納米顆粒的紡絲溶液滴加到注射器針尖上，在高壓電場的電場力和磁鐵產(chǎn)生的磁場力共同作用下，紡絲溶液形成帶電射流傳遞到收集極上，制得PVP/γ-Fe2O3聚合物微納米復(fù)合纖維；其工藝過程簡單，操作安全，紡絲電壓低，紡絲間距短，紡絲纖維沉積位置易控，制備成本低，能同時演示近場靜電紡絲和磁場輔助靜電紡絲。
文檔編號D01D5/00GK103060933SQ20131003187
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者龍云澤, 鄭杰, 黃淵源, 劉術(shù)亮, 孫彬, 張紅娣, 張君誠 申請人:青島大學(xué)