一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法

摘要

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法，先将聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙醇溶液中搅拌均匀，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钠和γ-Fe2O3磁性纳米颗粒，超声振荡后得到掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液；将配制好的掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液滴加到注射器针尖上，在高压电场的电场力和磁铁产生的磁场力共同作用下，纺丝溶液形成带电射流传递到收集极上，制得PVP/γ-Fe2O3聚合物微纳米复合纤维；其工艺过程简单，操作安全，纺丝电压低，纺丝间距短，纺丝纤维沉积位置易控，制备成本低，能同时演示近场静电纺丝和磁场辅助静电纺丝。

权利要求

1.一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法，其特征在于在常规的低压近场静电纺丝装置上，用磁场力部分取代电场力对纤维进行拉伸纺丝，用低纺丝电压制备聚合物微纳米复合纤维，其具体工艺步骤如下：（1）：纺丝溶液的配制：先将分子量为130万的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）2.6克溶解在17.4克乙醇溶液中，磁场力搅拌两小时使溶液均匀稳定，配制成质量百分比为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0.4克十二烷基苯磺酸钠和0.2克γ-Fe2O3磁性纳米颗粒，超声振荡一小时后即得到掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液；

（2）、装置的调节：通过螺旋测微仪的右端的调节旋钮将注射器针头与收集极之间的纺丝距离调节为8毫米；直流高压电源的电源正极线与注射器针头电信息连接，电源负极线与磁铁电信息连接，磁铁上粘贴式制有盖玻片作为收集极；打开直流高压电源的开关，将电源电压初始值设为3千伏，在注射器针头与收集极之间形成高压电场，磁铁使注射器针头与收集极之间也存在磁场，装置调节完成；

（3）、微纳米复合纤维的制备：将配制好的掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液滴加到注射器针尖上，在高压电场的电场力和磁铁产生的磁场力共同作用下，纺丝溶液形成带电射流传递到收集极上，制得PVP/γ-Fe2O3聚合物微纳米复合纤维。

2.根据权利要求1所述的聚合物微纳米复合纤维的制备方法，其特征在于使用的磁场辅助的低压近场静电纺丝装置的主体结构包括电源负极线、注射器针头、磁铁、收集极、螺旋测微仪、调节旋钮、聚合物微纳米复合纤维、电源正极线、注射器、铁架台、固定装置、直流高压电源和射流；直流高压电源的电源正极线与注射器针头电信息连接，两个铁架台分别通过固定装置固定制有注射器和螺旋测微仪，注射器和螺旋测微仪在同一水平线上；螺旋测微仪的前端固定制有磁铁，磁铁与直流高压电源的电源负极线电信息连接，磁铁上粘贴式制有盖玻片作为收集极；螺旋测微仪的右端固定制有调节旋钮，调节旋钮控制纺丝间距；

注射器的右端连接有注射器针头，注射器针头指向磁铁的正中心；磁场强度通过更换磁铁或者在磁铁上加通电螺线管调节与控制。

说明书

一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法

技术领域：

[0001] 本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种磁场辅助的低压近场静电纺丝制备聚合物微纳米复合纤维的新工艺，特别是一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法。背景技术：

[0002] 静电纺丝是一种简单易行的制备聚合物微纳米纤维的方法，具有设备操作简单、实验成本低、适用材料广、生产的纤维比表面积大等优点，是目前制备微纳米纤维的重要技术之一。静电纺丝的原理和实验设备都比较简单，直流高压电源的正极与注射器针头相连，负极与一块铝箔（收集极）相连并接地；高压电源工作后，在注射器针头和铝箔之间形成了高压静电场；纺丝溶液在高压电场的作用下极化带电，从针头喷射出来形成射流，带电射流在到达铝箔之前在空气中拉伸或劈裂细化，同时溶剂挥发纤维固化，最后沉积在铝箔上形成微纳米纤维薄膜。传统静电纺丝的注射器针尖和接地铝箔的间距一般在8-20厘米,在两者间加的电压高达上万伏甚至几十万伏，这对实验操作人员有一定的安全隐患，也影响了静电纺丝装置在教学及生活等方面的推广应用。为了提高实验的安全性，降低纺丝电压是解决问题的关键之一，针对这个问题，国内外已有部分文献报道，专利号为ZL201020156420.6的中国专利公开了一种便携式低压近场静电纺丝装置，通过降低纺丝距离到几个毫米，使得纺丝电压相应也降低了一个数量级，2-3千伏的电压即可实现微纳米纤维的制备；专利号为ZL201010184068.1的中国专利公开了一种低压离心静电纺丝技术，在常规静电纺丝的基础上，尝试用离心力部分取代电场力对纤维进行纺丝，针头与收集极的间距控制在2-5厘米，纺丝电压可降低至2-5千伏；关于磁场辅助的常规静电纺丝技术也有报道，Yang等（Advanced Materials,2007,19,3702-3706）公开了一种磁电纺丝技术来制备有序排列的纳米纤维；东华大学吴玥博士（吴玥，博士学位论文：引入磁场的静电纺丝技术及其对非稳态流动控制机理的研究，东华大学，2008）研究了磁场对静电纺丝过程的影响；中国专利（专利号：ZL201020033366.6）提出了在聚合物射流拉伸过程中外加一个可调磁场强度的静磁场，改善高分子的结晶行为，弥补传统静电纺丝纤维结晶度低和机械强度差等缺点；将磁场辅助与低压近场静电纺丝技术相结合制备微纳米纤维的方法，目前尚未见报道。
发明内容：

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种磁场辅助的低压近场静电纺丝制备聚合物微纳米复合纤维的新工艺，在低压近场静电纺丝法的基础上，用磁场力部分或完全取代电场力对纤维进行拉伸纺丝制备微纳米纤维，避免外加实验装置和操作的复杂性，降低纺丝电压，便于控制纤维在衬底上的沉积位置。

[0004] 为了实现上述目的，本发明在常规的低压近场静电纺丝装置上，用磁场力部分取代电场力对纤维进行拉伸纺丝，用低纺丝电压制备聚合物微纳米复合纤维，其具体工艺步骤如下：

[0005] （1）：纺丝溶液的配制：先将分子量为130万的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）2.6克溶解在17.4克乙醇溶液中，磁场力搅拌两小时使溶液均匀稳定，配制成质量百分比为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0.4克十二烷基苯磺酸钠和0.2克γ-Fe2O3磁性纳米颗粒，超声振荡一小时后即得到掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液；

[0006] （2）、装置的调节：通过螺旋测微仪的右端的调节旋钮将注射器针头与收集极之间的纺丝距离调节为8毫米；直流高压电源的电源正极线与注射器针头电信息连接，电源负极线与磁铁电信息连接，磁铁上粘贴式制有盖玻片作为收集极；打开直流高压电源的开关，将电源电压初始值设为3千伏，在注射器针头与收集极之间形成高压电场，磁铁使注射器针头与收集极之间也存在磁场，装置调节完成；

[0007] （3）、微纳米复合纤维的制备：将配制好的掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液滴加到注射器针尖上，在高压电场的电场力和磁铁产生的磁场力共同作用下，纺丝溶液形成带电射流传递到收集极上，制得PVP/γ-Fe2O3聚合物微纳米复合纤维。

[0008] 本发明使用的磁场辅助的低压近场静电纺丝装置的主体结构包括电源负极线、注射器针头、磁铁、收集极、螺旋测微仪、调节旋钮、聚合物微纳米复合纤维、电源正极线、注射器、铁架台、固定装置、直流高压电源和射流；直流高压电源的电源正极线与注射器针头电信息连接，两个铁架台分别通过固定装置固定制有注射器和螺旋测微仪，注射器和螺旋测微仪在同一水平线上；螺旋测微仪的前端固定制有磁铁，磁铁与直流高压电源的电源负极线电信息连接，磁铁上粘贴式制有盖玻片作为收集极；螺旋测微仪的右端固定制有调节旋钮，调节旋钮控制纺丝间距；注射器的右端连接有注射器针头，注射器针头指向磁铁的正中心；磁场强度通过更换磁铁或者在磁铁上加通电螺线管调节与控制。

[0009] 本发明与现有技术相比，同时具有近场静电纺丝和磁场辅助静电纺丝的优点，在磁场的辅助下，纺丝电压可以进一步降低，降低幅度与磁场强度和纺丝间距有关；其工艺过程简单，操作安全，纺丝电压低，纺丝间距短，纺丝纤维沉积位置易控，可纺磁性纤维，使用的装置结构简单，制备成本低，能同时演示近场静电纺丝和磁场辅助静电纺丝。附图说明：

[0010] 图1为本发明使用的磁场辅助低压近场静电纺丝装置主体结构原理示意图。

[0011] 图2为本发明制备的掺杂γ-Fe2O3纳米颗粒的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）微纳米复合纤维的扫描电镜（SEM）照片，其中图（a）为磁场强度30mT、电压2.12千伏、纺丝间距8毫米条件下制备的微纳米复合纤维；图（b）为磁场强度90mT、电压2.05千伏、纺丝间距8毫米条件下制备的微纳米复合纤维。具体实施方式：

[0012] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

[0013] 本实施例在常规低压近场静电纺丝装置的基础上，用磁场力部分取代电场力对纤维进行拉伸纺丝，用低纺丝电压制备聚合物微纳米复合纤维，其具体工艺步骤如下：

[0014] （1）：纺丝溶液的配制：先将分子量为130万的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）2.6克溶解在17.4克乙醇溶液中，磁场力搅拌两小时使溶液均匀稳定，配制成质量分数为13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，再向配制好的质量分数为13wt%的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中加入0.4克十二烷基苯磺酸钠和0.2克γ-Fe2O3磁性纳米颗粒，超声振荡一小时后即得到掺杂有磁性纳米颗粒的纺丝溶液；

[0015] （2）、装置的调节：通过螺旋测微仪5的右端的调节旋钮6将注射器针头2与收集极4之间的纺丝距离调节为8毫米；直流高压电源12的电源正极线8与注射器针头2电信息连接，电源负极线1与磁铁3电信息连接，磁铁3上粘贴式制有盖玻片作为收集极4；打开直流高压电源12的开关，将电源电压初始值设为3千伏，在注射器针头2与收集极4之间形成高压电场，磁铁3使注射器针头2与收集极4之间也存在磁场，装置调节完成；

[0016] （3）、微纳米复合纤维的制备：将配制好的掺杂有磁性纳米颗粒纺丝溶液滴加到注射器针尖2上，在高压电场的电场力和磁铁3产生的磁场力共同作用下，纺丝溶液形成带电射流13传递到收集极4上，制得PVP/γ-Fe2O3聚合物微纳米复合纤维7。

[0017] 本实施例使用的磁场辅助的低压近场静电纺丝装置的主体结构包括电源负极线1、注射器金属针头2、方形磁铁3、收集极4、螺旋测微仪5、调节旋钮6、聚合物微纳米复合纤维7、电源正极线8、注射器9、铁架台10、固定装置11、直流高压电源12和射流13；直流高压电源12的电源正极线8与注射器针头2电信息连接，两个铁架台10分别通过固定装置11固定制有注射器9和螺旋测微仪5，注射器9和螺旋测微仪5在同一水平线上；螺旋测微仪5的前端固定制有磁铁3，磁铁3与直流高压电源12的电源负极线1电信息连接，磁铁3上粘贴式制有盖玻片作为收集极4；螺旋测微仪5的右端固定制有调节旋钮6，调节旋钮6控制纺丝间距；注射器9的右端连接有注射器针头2，注射器针头2指向磁铁3的正中心；磁场强度通过更换磁铁3或者在磁铁3上加通电螺线管调节与控制。

[0018] 实施例1：

[0019] 本实施例将注射器针头2与收集极4之间的纺丝距离保持在8毫米，采用高斯计测得磁铁3在注射器针头2处产生的磁场强度为30mT，不断降低直流高压电源12的输出电压值，重复上述实验过程，直到不再纺丝为止，实验表明磁场强度为30mT的最低纺丝电压值为2.12千伏。

[0020] 实施例2：

[0021] 本实施例采用一块新的磁铁3，用高斯计测得新的磁铁3在注射器针头2处产生的磁场强度为90mT,保持注射器针头2与收集极4之间的纺丝距离为8毫米，重复上述实验，实验表明，在磁场强度为90mT时，8毫米间距的最低纺丝电压为2.05千伏。

[0022] 实施例3：

[0023] 本实施例不加磁铁3，其他纺丝装置和纺丝溶液保持一致，8毫米间距的最低纺丝电压（临界电压）为2.28千伏。

[0024] 上述实施例表明，磁铁3的加入降低了临界电压，随着磁场强度的增加，高压电源需提供的最低纺丝电压（临界电压）逐渐降低。