一種磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功能微納米纖維的制備方法，具體涉及一種利用交變磁場(chǎng)力制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]導(dǎo)電聚合物(聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚3，4-二氧乙基噻吩等)一維納米材料(納米纖維、納米線、納米管、納米球、納米棒等)因其具有特殊的電學(xué)、光學(xué)和氧化還原等性能使其在很多方面有著潛在的應(yīng)用前景，因而引起了人們廣泛的興趣。拉伸法、模板法、溶膠凝膠法、氣相合成法、靜電紡絲法等都是制備一維導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法。這些方法性能各異，例如，溶液靜電紡絲可以大規(guī)模制備導(dǎo)電聚合物納米纖維，這些納米纖維具有比較高的電導(dǎo)率和迀移率，但是缺點(diǎn)是要求紡絲電壓比較高，溶劑揮發(fā)比較浪費(fèi)。模板合成法是一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單和比較快捷制備導(dǎo)電聚合物納米纖維的方法，但是后期模板的移除比較麻煩，存在形貌、尺寸可控性和規(guī)整性差的缺陷。蘸筆納米光刻術(shù)利用原子力顯微鏡可以將納米線精確地沉積，但是產(chǎn)量比較低，而且得到的纖維也比較短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法，該方法利用交變磁場(chǎng)力作用，拉伸含導(dǎo)電聚合物的磁流體射流進(jìn)行紡絲，整個(gè)過(guò)程無(wú)需高壓電作用，有效降低生產(chǎn)成本和安全隱患，且制得的纖維排布有序，產(chǎn)量高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，所得導(dǎo)電聚合物微納米纖維具有很好的應(yīng)用前景。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0005]一種磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法，包括以下步驟:
[0006](I)所述磁紡裝置包括可以控制給料速率的給料裝置，紡絲噴頭，噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和紡絲接收裝置，所述紡絲接收裝置包括水平設(shè)置的收集圓盤(pán)，所述收集圓盤(pán)的底部圓心處與直流無(wú)刷電機(jī)的輸出軸對(duì)接聯(lián)動(dòng)，直流無(wú)刷電機(jī)電連接電源和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制器，所述收集圓盤(pán)上表面以圓盤(pán)中心軸線為對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)設(shè)置豎直支柱，所述豎直支柱為4個(gè)，其中I個(gè)為永磁鐵，3個(gè)為金屬細(xì)針，所述紡絲噴頭水平設(shè)置，紡絲噴頭的噴射口指向紡絲接收裝置的永磁鐵，所述紡絲噴頭連接可帶動(dòng)其在豎直方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述紡絲噴頭與供給紡絲液的給料裝置相連，磁紡裝置的給料裝置包括微量注射泵，連接微型注射泵的注射器針管，以及與注射器針管針頭相連的輸液管，所述輸液管與紡絲噴頭相連，磁紡裝置的噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為直線電機(jī)及其控制器；
[0007](2)配制紡絲前軀體溶液:磁性納米顆粒、高分子聚合物和導(dǎo)電聚合物充分混合溶于有機(jī)溶劑中配制成紡絲前軀體溶液；
[0008](3)利用磁紡裝置制備導(dǎo)電聚合物微納米復(fù)合纖維:將步驟(2)配制的紡絲前軀體溶液注入給料裝置中，開(kāi)啟給料裝置，調(diào)整給料裝置的給料速率，紡絲噴頭噴射口處的紡絲前軀體溶液液滴在磁場(chǎng)力的作用下形成射流與永磁鐵搭連成橋，此時(shí)打開(kāi)噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)和直流無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)控制器開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)收集圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在磁場(chǎng)力作用下鐵磁流體射流不斷被拉出，在拉伸細(xì)化過(guò)程中伴隨著溶劑揮發(fā)，在收集圓盤(pán)的豎直支柱間纏繞形成有序排列的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合導(dǎo)電聚合物微納米纖維，噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)啟后帶動(dòng)紡絲噴頭在豎直方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使紡絲在豎直支柱間均勻纏繞，而不聚集在一個(gè)位置互相纏繞粘連影響紡絲質(zhì)量。
[0009]進(jìn)一步的，步驟(2)配制紡絲前軀體溶液:加入表面活性劑將磁性納米顆粒分散到有機(jī)溶劑中配制成磁流體溶液，高分子聚合物和導(dǎo)電聚合物溶于有機(jī)溶劑中配制成導(dǎo)電聚合物溶液，將磁流體溶液與導(dǎo)電聚合物溶液混合制成紡絲前軀體溶液；
[0010]進(jìn)一步的，步驟(2)中所述的表面活性劑是十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、吐溫80、油酸、烷基季銨鹽中的一種；步驟(2)所述的所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內(nèi)酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種；步驟⑵所述的有機(jī)溶劑是氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮和水中的一種或多種；步驟(2)所述的磁性納米顆粒是Y -Fe2O3> Fe3O4、鈷、镲磁性納米顆粒或含有鐵、鈷、镲中一種或多種的復(fù)合磁性納米顆粒；所述的導(dǎo)電聚合物是聚苯胺、聚吡咯、聚3，4-二氧乙基噻吩、聚噻吩、聚乙炔、聚對(duì)苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一種或多種，或者與聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內(nèi)醋、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種的復(fù)合物。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的磁流體紡絲液的配制方法:選用十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，將直徑在20納米的γ -Fe2O3磁性納米顆粒分散到氯仿中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%的磁流體溶液；導(dǎo)電聚合物溶液與磁流體溶液按溶液質(zhì)量比1:1的比例混合制成紡絲前軀體溶液。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的導(dǎo)電聚合物溶液的配制方法:3.0克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8被％的PED0T/PSS水溶液，0.3克分子量5000000的聚氧化乙烯粉末與6.5克去離子水混合，然后摻加0.2克的1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽，磁力攪拌5小時(shí)，使溶液混合均勻，再靜置90分鐘得導(dǎo)電聚合物溶液。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的導(dǎo)電聚合物溶液的配制方法:2.2克分子量為270000的聚偏氟乙烯加入3.8克N，N- 二甲基甲酰胺和3.8克丙酮的混合溶液，水浴加熱40°C磁力攪拌3小時(shí)后，加入聚苯胺配制成聚苯胺溶液，所述聚苯胺的質(zhì)量為0.01?2.2克，水浴加熱40°C磁力攪拌12小時(shí)，使溶液混合均勻得導(dǎo)電聚合物溶液。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟(2)配制紡絲前軀體溶液:0.8?5克聚毗咯加入到9.2克氯仿中，常溫?cái)嚢?小時(shí)配制成溶液A ；0.4克分子量5000000的聚氧化乙烯加入到9.6克氯仿中，常溫?cái)嚢?小時(shí)配制成溶液B ;將溶液A和溶液B按質(zhì)量比1:1混合，將0.1克直徑在20納米的γ -Fe2O3磁性納米顆粒分散入混合溶液中；混合攪拌3小時(shí)，至溶液均勻，得到紡絲前軀體溶液。
[0015]進(jìn)一步的，所述磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法還包括步驟(4)后期處理:用酸性溶液浸泡氧化步驟(3)所得的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合導(dǎo)電聚合物微納米纖維溶解去除復(fù)合纖維中的磁性納米顆粒，即可以得到不含磁性顆粒的導(dǎo)電聚合物微納米線。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(4)后期處理:將步驟(3)所得的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合導(dǎo)電聚合物微納米纖維放入體積比為3:1的硫酸和硝酸的混合溶液中浸泡氧化，氧化溫度80°C，時(shí)間為48小時(shí)，然后取出微納米纖維分別用去離子水和酒精清洗6遍，真空110°C干燥。即可得到不含磁性顆粒的導(dǎo)電聚合物微納米線。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供了一種磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法，該方法利用交變磁場(chǎng)力作用，拉伸含導(dǎo)電聚合物的磁流體射流進(jìn)行紡絲，整個(gè)過(guò)程無(wú)需高壓電作用，有效降低生產(chǎn)成本和安全隱患，且制得的纖維排布有序，產(chǎn)量高適合大規(guī)模生產(chǎn)，所得導(dǎo)電聚合物微納米纖維具有很好的應(yīng)用前景。具體而言:
[0018](I)本發(fā)明采用磁紡方法制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維，所需設(shè)備簡(jiǎn)單易得，僅由旋轉(zhuǎn)電機(jī)和永磁鐵便可搭建紡絲裝置；操作安全，由磁場(chǎng)力完全替代電場(chǎng)力，克服了靜電紡絲過(guò)程中高壓靜電的危險(xiǎn)，紡絲過(guò)程安全環(huán)保無(wú)污染，便于推廣應(yīng)用。
[0019](2)本發(fā)明導(dǎo)電聚合物微納米纖維工藝流程簡(jiǎn)單、紡絲條件溫和、紡絲成本低廉，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求低，可根據(jù)需求增加紡絲噴頭數(shù)目，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)微納米纖維。
[0020](3)本發(fā)明制備的導(dǎo)電聚合物微納米纖維直徑分布均勻，纖維的有序度極高，在電子器件、組織工程、靶向藥物載體、腫瘤磁熱療、生物活性物質(zhì)檢測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明制備方法中搭建的磁紡裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明磁紡制備的PANI/PVDF/ γ -Fe2O3復(fù)合微納米纖維的光學(xué)顯微鏡照片;
[0023]圖中:1_注射器針管，2-輸液管，3-直線電機(jī)，4-紡絲噴頭，5-永磁鐵，6-收集圓盤(pán)，7-金屬細(xì)針，8-微量注射泵，9-微量注射泵開(kāi)關(guān)，10-直流無(wú)刷電機(jī)，11-電機(jī)控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0024]根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書(shū)中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]一種磁紡制備導(dǎo)電聚合物微納米纖維的方法，包括以下步驟:
[0027](I)磁紡裝置的搭建:所述磁紡裝置如圖1所示，包括可以控制給料速率的給料裝置，紡絲噴頭4，噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和紡絲接收裝置，所述紡絲接收裝置包括水平設(shè)置的收集圓盤(pán)6，所述收集圓盤(pán)6的底部圓心處與直流無(wú)刷電機(jī)10的輸出軸對(duì)接聯(lián)動(dòng)，直流無(wú)刷電機(jī)10電連接電源和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制器11，所述收集圓盤(pán)6上表面以圓盤(pán)中心軸線為對(duì)稱(chēng)軸對(duì)稱(chēng)設(shè)置多個(gè)豎直支柱，所述豎直支柱為4個(gè)，其中I個(gè)為永磁鐵5，3個(gè)為金屬細(xì)針7，所述紡絲噴頭4水平設(shè)置，紡絲噴頭4的噴射口指向紡絲接收裝置的永磁鐵5，所述紡絲噴頭4連接可帶動(dòng)其在豎直方向上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述紡絲噴頭4與供給紡絲液的給料裝置相連；所述給料裝置包括微量注射泵8，連接微型注射泵的注射器針管1，以及與注射器針管I針頭相連的輸液管2，所述輸液管2與紡絲噴頭4相連；所述噴頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為直線電機(jī)3及其控制器；
[0028](2)配制紡絲前軀體溶液:選用十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，將直徑在20納米的γ -Fe2O3磁性納米顆粒分散到氯仿中，加入與磁性納米顆粒等質(zhì)量的表面活性劑，配制γ -Fe2O3磁性納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%的磁流體溶液；3.0克質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8wt%的PEDOT/PSS水溶液，0.3克分子量5000000的聚氧化乙烯粉末與6.5克去離子水混合，然后摻加0.2克的1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽，磁力攪拌5小時(shí)，使溶液混合均勻，再靜置90分鐘得導(dǎo)電聚合物溶液；導(dǎo)電聚合物溶液與磁流體溶液按溶液質(zhì)量比1:1的比例混合攪拌3小時(shí)，至溶液均勻，制成紡絲前軀體溶液；
[0029](3)利用磁紡裝置制備導(dǎo)電聚合物微納米復(fù)合纖維:將步驟(2)配好的紡絲前驅(qū)體溶液加入注射器針管I中，打開(kāi)微量注射泵開(kāi)關(guān)9，紡絲液以80微升/分鐘的推進(jìn)速率從噴頭均勻定量噴出，調(diào)節(jié)噴頭與永磁鐵間距為6.5毫米，在