有序纳米纤维宏量制备装置转让专利
申请号 : CN201010120814.0
文献号 : CN101787623A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 孙道恒 , 郑高峰 , 吴德志 , 王晗 , 李文望
申请人 : 厦门大学
摘要 :
有序纳米纤维宏量制备装置，涉及一种纳米纤维的制备装置。提供一种可实现对电纺丝过程纳米纤维的沉积位置和排列形式的有效控制的有序纳米纤维宏量制备装置。设有直流高压电源、溶液槽、溶液通道、喷头、控制器、收集板、矩阵电极、基座、继电器组、控制总线和辅助低压直流电源。溶液槽通过溶液通道与喷头相连通，向喷头补充溶液；直流高压电源正极通过导线与喷头相接，直流高压电源负极与辅助直流电源负极相连，并且接地；矩阵电极放置于基座上方，收集板放置于矩阵电极上表面；继电器组输出端接矩阵电极，继电器组的常闭端接辅助直流电源，继电器组的常开端接地，继电器组的控制端通过控制总线接控制器。
权利要求 :
1.有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于设有直流高压电源、溶液槽、溶液通道、喷头、控制器、收集板、矩阵电极、基座、继电器组、控制总线和辅助低压直流电源；溶液槽通过溶液通道与喷头相连通，向喷头补充溶液；直流高压电源正极通过导线与喷头相接，直流高压电源负极与辅助直流电源负极相连，并且接地；矩阵电极放置于基座上方，收集板放置于矩阵电极上表面；继电器组输出端接矩阵电极，继电器组的常闭端接辅助直流电源，继电器组的常开端接地，继电器组的控制端通过控制总线接控制器。
2.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述矩阵电极中各个电极上表面处于同一水平面，均与收集板保持接触。
3.如权利要求1或2所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述矩阵电极为方形矩阵电极、矩形矩阵电极或圆形矩阵电极；矩阵电极中电极直径为5～50mm。
4.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述收集板为绝缘薄板、绝缘膜或半导体薄板，绝缘薄板的厚度为0.02～1mm，所述绝缘膜的厚度为0.02～1mm，半导体薄板的厚度为0.1～0.5mm。
5.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于收集板为平面收集板或具有微孔或微突起结构的收集板。
6.如权利要求5所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述微孔为环形微孔、矩形微孔或三角形微孔；所述微突起结构为弧形微突起结构或圆形微突起结构，微突起结构的高度为2～50μm。
7.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述喷头至收集板距离为5～25mm。
8.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述喷头为单个空心针头，单个实心针头，阵列空心针头，阵列实心针头或圆筒式喷头。
9.如权利要求8所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述阵列空心针头为单行排列，所述阵列实心针头为单行排列，所述阵列空心针头的数量为2～20个，所述阵列实心针头的数量为2～20个。
10.如权利要求1所述的有序纳米纤维宏量制备装置，其特征在于所述直流高压电源的电压值为0～40kV，辅助低压直流电源的电压为0～800V。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维的制备装置，尤其是涉及一种有序纳米纤维宏量制备装置。
背景技术
静电纺丝作为一种新兴的微纳米制造技术以其工艺简单、操纵方便、原料来源广泛等众多优点，日益受到了工业界和学术界的关注。电纺丝纳米/微米结构在生物医药、组织工程、空气过滤及微纳米传感器件等领域都有着广泛的应用潜力。但电纺丝过程受到多种因素的影响，聚合物射流存在鞭动、分裂等多种不稳定现象，飞行轨迹十分复杂，难以控制，无法实现纳米纤维的准确定位沉积和纤维排列方式控制。制备具有特定图案和排列形式的纳米纤维膜，在生物组织工程、微纳米系统、空气过滤等方面都具有重要应用前景，对于静电纺丝技术的工业化应用也具有深远的意义。
目前，静电纺丝纳米纤维的有序沉积控制已经成为当前的研究热点和重点问题，许多文献资料都报道了各自的方法来获得有序纳米纤维，主要可分为运动型收集器和静止型收集器两大类。运动型收集器主要是利用收集部件的运动，引导拉伸纳米纤维在收集板表面沉积形成有序纳米纤维。文献[1]([1]Matthews，J.A.，G.E.Wnek，et al.Biomacromolecules Vol.3(2)：232-238)和文献[2]([2]Katta，P.，M.Alessandro，et al.Nano Letters.Vol.4(11)：2215-2218)采用可转动笼状圆筒收集器，配合圆筒的旋转可以圆筒外围笼状结构表面获得有序沉积的纳米纤维；文献[3]([3]Yee，W.A.，A.C.Nguyen，et al.Polymer 49(19)：4196-4203)采用旋转式圆盘作为收集板，可以在平面内获取有序排列的弧形纳米纤维；文献[4]([4]Kameoka，J.，R.Orth，et al.Nanotechnology.Vol.15(10)：1124-1129)采用探针作电纺丝喷头，配合旋转圆盘作为收集，可获得单根纳米纤维有序可控沉积。但采用运动型收集器所获得的纳米纤维膜沉积样式固定难以改变，纳米纤维排列一致性不好，且不能实现纳米纤维沉积位置的准确控制。
静止型收集器主要是在构造不同形式的微结构，或将收集器加工成不同的形状，从而改变空间电场分布而引导纳米纤维的定向有序沉积。文献[5]([5]Dan Li，Yuliang Wang，YonnanXia.Advanced Materials.Vol.16(4)：361-366)报道了一种简单且有效的方法来制备平行取向纳米纤维。具体做法是在收集板上预先凿开一个孔，受槽孔上方局部电场的影响，纳米纤维将横跨于槽孔两边形成平行取向排列，可较简单地制备高取向性有序纳米纤维并可较容易地转移到其他基底上。文献[6]([6]R.Dersch，Taiqi Liu，A.K.Schaper，et al.Journal of PolymerScience Part A：Polymer Chemistry.Vol.41(4)：545-553)采用三维金属槽状结构作为收集板，纳米纤维可以沉积于微槽两边，形成有序的悬空结构。但随着纳米纤维沉积时间的增加，受到已沉积纤维影响后续纤维将趋于混乱，而且纳米纤维的排列方式较难以控制；并且纳米纤维分布范围和排列方式受预先制备的收集板限制，不能随意变换。
如何实现对电纺丝纳米纤维沉积位置和排列方式的准确控制，仍是电纺丝技术发展应用的难点，也是电纺丝纳米纤维实现工业化应用的一个关键。
目前，静电纺丝纳米纤维的有序沉积控制已经成为当前的研究热点和重点问题，许多文献资料都报道了各自的方法来获得有序纳米纤维，主要可分为运动型收集器和静止型收集器两大类。运动型收集器主要是利用收集部件的运动，引导拉伸纳米纤维在收集板表面沉积形成有序纳米纤维。文献[1]([1]Matthews，J.A.，G.E.Wnek，et al.Biomacromolecules Vol.3(2)：232-238)和文献[2]([2]Katta，P.，M.Alessandro，et al.Nano Letters.Vol.4(11)：2215-2218)采用可转动笼状圆筒收集器，配合圆筒的旋转可以圆筒外围笼状结构表面获得有序沉积的纳米纤维；文献[3]([3]Yee，W.A.，A.C.Nguyen，et al.Polymer 49(19)：4196-4203)采用旋转式圆盘作为收集板，可以在平面内获取有序排列的弧形纳米纤维；文献[4]([4]Kameoka，J.，R.Orth，et al.Nanotechnology.Vol.15(10)：1124-1129)采用探针作电纺丝喷头，配合旋转圆盘作为收集，可获得单根纳米纤维有序可控沉积。但采用运动型收集器所获得的纳米纤维膜沉积样式固定难以改变，纳米纤维排列一致性不好，且不能实现纳米纤维沉积位置的准确控制。
静止型收集器主要是在构造不同形式的微结构，或将收集器加工成不同的形状，从而改变空间电场分布而引导纳米纤维的定向有序沉积。文献[5]([5]Dan Li，Yuliang Wang，YonnanXia.Advanced Materials.Vol.16(4)：361-366)报道了一种简单且有效的方法来制备平行取向纳米纤维。具体做法是在收集板上预先凿开一个孔，受槽孔上方局部电场的影响，纳米纤维将横跨于槽孔两边形成平行取向排列，可较简单地制备高取向性有序纳米纤维并可较容易地转移到其他基底上。文献[6]([6]R.Dersch，Taiqi Liu，A.K.Schaper，et al.Journal of PolymerScience Part A：Polymer Chemistry.Vol.41(4)：545-553)采用三维金属槽状结构作为收集板，纳米纤维可以沉积于微槽两边，形成有序的悬空结构。但随着纳米纤维沉积时间的增加，受到已沉积纤维影响后续纤维将趋于混乱，而且纳米纤维的排列方式较难以控制；并且纳米纤维分布范围和排列方式受预先制备的收集板限制，不能随意变换。
如何实现对电纺丝纳米纤维沉积位置和排列方式的准确控制，仍是电纺丝技术发展应用的难点，也是电纺丝纳米纤维实现工业化应用的一个关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现对电纺丝过程纳米纤维的沉积位置和排列形式的有效控制的有序纳米纤维宏量制备装置。
本发明设有直流高压电源、溶液槽、溶液通道、喷头、控制器、收集板、矩阵电极、基座、继电器组、控制总线和辅助低压直流电源。溶液槽通过溶液通道与喷头相连通，向喷头补充溶液；直流高压电源正极通过导线与喷头相接，直流高压电源负极与辅助直流电源负极相连，并且接地；矩阵电极放置于基座上方，收集板放置于矩阵电极上表面；继电器组输出端接矩阵电极，继电器组的常闭端接辅助直流电源，继电器组的常开端接地，继电器组的控制端通过控制总线接控制器。通过控制器可以按一定顺序改变继电器组中各继电器的导通状态，控制矩阵电极上各电极电位，从而改变收集板上表面电场分布变化。
所述矩阵电极中各个电极上表面处于同一水平面，均与收集板保持接触；所述矩阵电极可为方形矩阵电极、矩形矩阵电极或圆形矩阵电极等；矩阵电极中电极直径可为5～50mm。
所述收集板可采用绝缘薄板、绝缘膜或半导体薄板等，绝缘薄板的厚度可为0.02～1mm，所述绝缘膜的厚度可为0.02～1mm，半导体薄板的厚度可为0.1～0.5mm；收集板可以是平面收集板或具有微孔或微突起结构的收集板，所述微孔可以是环形、矩形、三角形或其他任意形状；所述微突起结构可以是弧形、圆形或其他任意形状，微突起结构的高度可为2～50μm。
所述喷头至收集板距离可为5～25mm；所述喷头可以是单个空心针头，单个实心针头，阵列空心针头，阵列实心针头或圆筒式喷头等；所述阵列空心针头或阵列实心针头为单行排列，数量为2～20个。
所述直流高压电源的电压值可为0～40kV，辅助低压直流电源的电压可为0～800V。
在静电纺丝过程中，溶液在电场作用下发生变形从而出现射流，带电射流经溶剂挥发固化形成固态纳米纤维。在喷射过程中，纳米纤维带有正电，空间电场分布是纳米纤维运动及沉积轨迹的主要影响因素。通过改变控制器程序，可独立改变继电器组上各继电器的导通状态；将纳米纤维沉积区域附近的电极与地导通，而其他区域电极保持与辅助低压直流电源正极导通；在纳米纤维沉积区域上方形成一低电势区域，从而引导带电纳米纤维朝沉积区域运动。继电器组按一定顺序依次改变导通状态，空间电场低电势区域也将随之朝某一特定方向移动，从而引导纳米纤维沉积点按一定规律发生变化形成有序纳米纤维。与现有的各种有序纳米纤维制造方式相比，本发明可通过改变控制器程序方便地调节纳米纤维沉积轨迹，不但可较准确地控制纳米纤维的沉积位置，还可调节纳米纤维膜中纤维的排列形式。通过控制继电器的导通顺序，可制备不同图案的纳米纤维膜；通过控制继电器组的导通状态按一定顺序循环变化，能够制备多层有序纳米纤维膜。同时，本发明具有开放式工作模式，适合于流水线批量化生产。
本发明设有直流高压电源、溶液槽、溶液通道、喷头、控制器、收集板、矩阵电极、基座、继电器组、控制总线和辅助低压直流电源。溶液槽通过溶液通道与喷头相连通，向喷头补充溶液；直流高压电源正极通过导线与喷头相接，直流高压电源负极与辅助直流电源负极相连，并且接地；矩阵电极放置于基座上方，收集板放置于矩阵电极上表面；继电器组输出端接矩阵电极，继电器组的常闭端接辅助直流电源，继电器组的常开端接地，继电器组的控制端通过控制总线接控制器。通过控制器可以按一定顺序改变继电器组中各继电器的导通状态，控制矩阵电极上各电极电位，从而改变收集板上表面电场分布变化。
所述矩阵电极中各个电极上表面处于同一水平面，均与收集板保持接触；所述矩阵电极可为方形矩阵电极、矩形矩阵电极或圆形矩阵电极等；矩阵电极中电极直径可为5～50mm。
所述收集板可采用绝缘薄板、绝缘膜或半导体薄板等，绝缘薄板的厚度可为0.02～1mm，所述绝缘膜的厚度可为0.02～1mm，半导体薄板的厚度可为0.1～0.5mm；收集板可以是平面收集板或具有微孔或微突起结构的收集板，所述微孔可以是环形、矩形、三角形或其他任意形状；所述微突起结构可以是弧形、圆形或其他任意形状，微突起结构的高度可为2～50μm。
所述喷头至收集板距离可为5～25mm；所述喷头可以是单个空心针头，单个实心针头，阵列空心针头，阵列实心针头或圆筒式喷头等；所述阵列空心针头或阵列实心针头为单行排列，数量为2～20个。
所述直流高压电源的电压值可为0～40kV，辅助低压直流电源的电压可为0～800V。
在静电纺丝过程中，溶液在电场作用下发生变形从而出现射流，带电射流经溶剂挥发固化形成固态纳米纤维。在喷射过程中，纳米纤维带有正电，空间电场分布是纳米纤维运动及沉积轨迹的主要影响因素。通过改变控制器程序，可独立改变继电器组上各继电器的导通状态；将纳米纤维沉积区域附近的电极与地导通，而其他区域电极保持与辅助低压直流电源正极导通；在纳米纤维沉积区域上方形成一低电势区域，从而引导带电纳米纤维朝沉积区域运动。继电器组按一定顺序依次改变导通状态，空间电场低电势区域也将随之朝某一特定方向移动，从而引导纳米纤维沉积点按一定规律发生变化形成有序纳米纤维。与现有的各种有序纳米纤维制造方式相比，本发明可通过改变控制器程序方便地调节纳米纤维沉积轨迹，不但可较准确地控制纳米纤维的沉积位置，还可调节纳米纤维膜中纤维的排列形式。通过控制继电器的导通顺序，可制备不同图案的纳米纤维膜；通过控制继电器组的导通状态按一定顺序循环变化，能够制备多层有序纳米纤维膜。同时，本发明具有开放式工作模式，适合于流水线批量化生产。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的矩阵电极示意图。
图2为本发明实施例的矩阵电极示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明实施例设有直流高压电源1、溶液槽2、溶液通道3、喷头4、控制器5、收集板6、矩阵电极7、辅助直流电源8、底座9、继电器组10和控制总线11。
喷头4通过溶液通道3与溶液槽2相通；直流高压电源1正极与喷头4相接，直流高压电源1负极与辅助直流电源8负极相接并接地；收集板6设在矩阵电极7上，矩阵电极7中各电极上表面平齐；继电器组10输出端接矩阵电极7，继电器组10常闭端接辅助直流电源8，继电器组10常开端接地，继电器组10控制端通过控制总线11接控制器5。
打开高压直流电源1，喷头4处溶液受电场力作用发生变形产生射流，经过拉伸溶液挥发等过程获得纳米纤维。可通过改变控制器5程序独立控制继电器组10中各继电器的导通状态而改变各电极的电势，在收集板6上方形成不均匀的空间电场引导纳米纤维在特定区域沉积。配合纳米纤维喷射，按一定顺序改变继电器组10的导通状态，获取特定分布形态的纳米纤维膜，及控制纤维膜中纳米纤维的排列形式。所述矩阵电极7中各个电极上表面处于同一水平面，均与收集板6保持良好接触；所述矩阵电极7为方形矩阵电极、矩形矩阵电极或圆形矩阵电极等；矩阵电极7中电极直径为5～50mm。所述收集板6可采用绝缘薄板、绝缘膜或半导体薄板等，所述绝缘薄板的厚度可为0.02～1mm，所述绝缘膜的厚度可为0.02～1mm，所述半导体薄板的厚度可为0.1～0.5mm；收集板6可以是平面收集板或具有微孔或微突起结构的收集板，所述微孔可以是环形、矩形、三角形或其他任意形状；所述微突起结构可以是弧形、圆形或其他任意形状，微突起结构的高度可为2～50μm。所述喷头4至收集板6的距离为5～25mm；所述喷头4可以是单个空心针头，单个实心针头，阵列空心针头，阵列实心针头或圆筒式喷头等；所述阵列空心针头或阵列实心针头为单行排列，数量为2～20个。
所述直流高压电源的电压值为0～40kV，辅助低压直流电源的电压为0～800V。
喷头4通过溶液通道3与溶液槽2相通；直流高压电源1正极与喷头4相接，直流高压电源1负极与辅助直流电源8负极相接并接地；收集板6设在矩阵电极7上，矩阵电极7中各电极上表面平齐；继电器组10输出端接矩阵电极7，继电器组10常闭端接辅助直流电源8，继电器组10常开端接地，继电器组10控制端通过控制总线11接控制器5。
打开高压直流电源1，喷头4处溶液受电场力作用发生变形产生射流，经过拉伸溶液挥发等过程获得纳米纤维。可通过改变控制器5程序独立控制继电器组10中各继电器的导通状态而改变各电极的电势，在收集板6上方形成不均匀的空间电场引导纳米纤维在特定区域沉积。配合纳米纤维喷射，按一定顺序改变继电器组10的导通状态，获取特定分布形态的纳米纤维膜，及控制纤维膜中纳米纤维的排列形式。所述矩阵电极7中各个电极上表面处于同一水平面，均与收集板6保持良好接触；所述矩阵电极7为方形矩阵电极、矩形矩阵电极或圆形矩阵电极等；矩阵电极7中电极直径为5～50mm。所述收集板6可采用绝缘薄板、绝缘膜或半导体薄板等，所述绝缘薄板的厚度可为0.02～1mm，所述绝缘膜的厚度可为0.02～1mm，所述半导体薄板的厚度可为0.1～0.5mm；收集板6可以是平面收集板或具有微孔或微突起结构的收集板，所述微孔可以是环形、矩形、三角形或其他任意形状；所述微突起结构可以是弧形、圆形或其他任意形状，微突起结构的高度可为2～50μm。所述喷头4至收集板6的距离为5～25mm；所述喷头4可以是单个空心针头，单个实心针头，阵列空心针头，阵列实心针头或圆筒式喷头等；所述阵列空心针头或阵列实心针头为单行排列，数量为2～20个。
所述直流高压电源的电压值为0～40kV，辅助低压直流电源的电压为0～800V。