一种三维静电纺丝的制备装置和方法与流程

本申请涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种三维静电纺丝的制备装置和方法。

背景技术：

静电纺丝技术自诞生以来发展迅速，已经成为纳米纤维材料的主要制备方法。静电纺丝技术的原理是：在强静电场的作用下，电纺液从喷丝装置的针头尖端被拉伸形成连续射流，并在接近接收装置时固化成直径为纳米级至亚微米级的纤维细丝。目前，通过静电纺丝技术得到的纤维直径一般为几百纳米，而由这些纤维聚集而成的材料具有孔径小、孔隙率高、纤维连续性好、堆积密度可控的特性。因此，由静电纺丝得到的静电纺纤维是一种高技术、高附加值的纤维材料，在电子信息、环境治理、生物医学、能源开发、安全防护和组织工程领域均展现出广阔的应用前景。

然而，传统的静电纺纤维通常为厚度在100μm以下的二维纤维材料，纤维在垂直于沉积平面方向上难以实现有效的贯穿与交错，导致纤维材料呈现出各向异性的结构特征，且容易出现层间剥离及存在回弹性差的问题，从而极大地影响静电纺纤维在诸多领域的实际应用。

与二维纤维材料相比，三维纤维材料的纤维之间具有交错互连的结构，该结构使得纤维材料的网孔间具有良好的连通性，微纳孔隙表界面在质能传递过程中的界面作用及表面效应显著增强，由此形成的微纳输运网络可实现对连续介质的高效选择性输运，从而可有效提升纤维材料在吸附分离领域的应用性能。

目前，为了实现静电纺丝技术在收集纳米纤维过程中稳定可控，以及获得特殊形态的纳米纤维，大量学者在改进接收设备方面进行了研究和探索，比如使用金属板、金属网或多孔金属筛作为接收设备。然而，采用现有方法所得到的纳米纤维均平铺在接收设备上，纳米纤维层与层之间几乎没有空间，而是彼此堆叠在一起，从而无法构筑精准可控的三维结构，且难以形成较厚的纳米纤维材料。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种三维静电纺丝的可控制备装置和方法，通过调控静电纺丝参数和收集液体的理化性质，实现对三维纳米纤维密度和厚度的调控，从而获取设定形态的三维纳米纤维。

为了实现上述目的，一方面，本申请提供一种三维静电纺丝的制备装置，具体包括：蠕动泵推液系统、液体收集装置、三轴位移控制系统和液体流量控制器。

所述蠕动泵推液系统上设置有金属针头，所述金属针头悬空置于所述液体收集装置上方，用以提供射流形态的纺丝溶液。

所述液体收集装置固定于所述三轴位移控制系统表面，所述三轴位移控制系统可控制所述液体收集装置进行三轴运动，实现纳米纤维不同的运动轨迹；所述液体收集装置上设置有与所述液体流量控制器连接的液体池，用于接收所述金属针头喷射出的纺丝溶液，所述液体池内盛放有收集液体，所述收集液体用于沉积纳米纤维。

进一步的，所述三维静电纺丝的制备装置还包括高压可调直流电源，通过改变所述高压可调直流电源的幅值和极性可实现对静电纺丝射流形态的控制，所述金属针头连接所述高压可调直流电源。

进一步的，所述收集液体为乙醇。

进一步的，所述液体池内还设置有温度控制系统，用于精确调节温度。

进一步的，所述液体收集装置的电源接地，且所述液体收集装置设置为圆柱形，所述圆柱形的直径为30厘米，高度为10厘米。

进一步的，所述液体收集装置的制作材料为钛合金。

进一步的，所述金属针头与所述收集液体液面的垂直距离为15厘米。

进一步的，所述三轴位移控制系统包括步进电机，所述步进电机包括x轴步进电机、y轴步进电机和z轴步进电机，用于实现所述液体收集装置的各轴向运动。

第二方面，本申请还提供一种三维静电纺丝的制备方法，具体包括：

获取所需三维纳米纤维的结构特征，所述结构特征包括三维纳米纤维厚度和三维纳米纤维比表面积。

根据所述结构特征，设定三轴位移控制系统的运动速度及步长，以及设定静电纺丝参数；所述静电纺丝参数包括：进液流量，纺丝温度，纺丝相对湿度，纺丝时间，高压可调直流电源电压幅值，液体收集装置与金属针头之间的垂直距离，收集液体的流速、种类和温度，以及液体收集装置的运动轨迹。

根据所述三轴位移控制系统的运动速度及步长，以及根据所述静电纺丝参数进行静电纺丝，获得纳米纤维液体混合物。

通过冷冻干燥法对所述纳米纤维液体混合物进行处理，获得所述所需三维纳米纤维。

进一步的，所述冷冻干燥法为：将所述纳米纤维液体混合物置于冷冻干燥器中，温度设置为-87摄氏度，干燥12小时。

本申请提供一种三维静电纺丝的制备装置和方法，通过调控静电纺丝参数和收集液体的理化性质，实现对三维纳米纤维密度和厚度的调控，增强纳米纤维的实用性和可行性，拓宽纳米纤维的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种三维静电纺丝的制备装置示意图；

图2为本申请实施例提供的一种三维静电纺丝的制备方法流程示意图；

图3为本申请实施例提供的三维静电纺丝纳米纤维实物示意图；

图4为本申请实施例提供的三维静电纺丝纳米纤维电镜照片示意图；

图5为本申请实施例提供的三维静电纺丝纳米纤维直径分布示意图。

图中：1-蠕动泵推液系统，11-金属针头，2-液体收集装置，21-液体池，3-三轴位移控制系统，4-液体流量控制器，5-高压可调直流电源。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种三维静电纺丝的制备装置示意图。本申请实施例第一方面提供一种三维静电纺丝的制备装置，具体包括：蠕动泵推液系统1、液体收集装置2、三轴位移控制系统3和液体流量控制器4。

所述蠕动泵推液系统1上设置有金属针头11，所述金属针头11悬空置于所述液体收集装置2上方，用以提供射流形态的纺丝溶液。

所述液体收集装置2固定于所述三轴位移控制系统3表面，所述三轴位移控制系统3可控制所述液体收集装置2进行三轴运动，实现纳米纤维不同的运动轨迹；所述液体收集装置2上设置有与所述液体流量控制器4连接的液体池21，用于接收所述金属针头11喷射出的纺丝溶液，所述液体池21内盛放有收集液体，所述收集液体用于沉积纳米纤维。

具体的，液体池21与液体流量控制器4相连，由此可以通过液体流量控制器4精确控制液体池21中收集液体的流量和速度。

进一步的，所述收集液体为乙醇。当然，本申请实施例所述收集液体并不限制为乙醇，只要不与纳米纤维发生反应，且密度与水密度相近的液体均可作为收集液体。

进一步的，所述液体池21内还设置有温度控制系统，用于精确调节温度，提高收集效率。

进一步的，所述三维静电纺丝的制备装置还包括高压可调直流电源5，通过改变所述高压可调直流电源5的幅值和极性可实现对静电纺丝射流形态的控制，所述金属针头11连接所述高压可调直流电源5。

进一步的，所述液体收集装置2的电源接地，且所述液体收集装置2设置为圆柱形，所述圆柱形的直径为30厘米，高度为10厘米。

具体的，所述液体收集装置2的电源接地就使得所述金属针头11和所述液体收集装置2之间形成电场，而接地后所述液体收集装置2的电势最低，可以有效防止纳米纤维乱飘，提高收集效率。

另外，也可以将所述液体收集装置2与负极性高压直流电源连接，同时将蠕动泵推液系统1上的金属针头11与正极性高压直流电源连接，只要确保所述金属针头11与所述液体收集装置2之间能形成电势差即可。

具体的，将所述液体收集装置2设置为圆柱形，一是便于制造，二是使所述金属针头11与所述液体收集装置2之间形成均匀的电场。

进一步的，所述液体收集装置2的制作材料为钛合金。本申请实施例优选钛合金作为制作材料是因为钛合金具有强度高而密度又小、机械性能好、韧性和抗蚀性能很好的特点，但并不限定为钛合金，只要符合制作标准的材料均可选用。

进一步的，所述金属针头11与所述收集液体液面的垂直距离为15厘米。所述垂直距离的设置是经过反复实验得到的最优数值，设置为该数值既不会击穿空气，又能使沉积到收集液体中的纳米纤维呈现出较好的形态。

进一步的，所述三轴位移控制系统3包括步进电机，所述步进电机包括x轴步进电机、y轴步进电机和z轴步进电机，用于实现所述液体收集装置的各轴向运动，并可通过调节位移方向与速度，采用g代码实现对于液体收集装置任意运动轨迹的控制，进而可以实现对纳米纤维大致形状和静电纺丝时间的精确控制。更进一步的，所述三轴位移控制系统3还包括数字键盘、触摸液晶显示屏和工业控制计算机，用于准确操作和控制所述液体收集装置；并且，所述三轴位移控制系统3支持多种通讯方式，支持完全脱机独立控制，支持u盘升级系统，支持断电续切功能。

参见图2，为本申请实施例提供的一种三维静电纺丝的制备方法流程示意图。本申请实施例第二方面提供一种三维静电纺丝的制备方法，用于指导操作本申请实施例第一方面提供的一种三维静电纺丝的制备装置，对于本申请实施例第二方面提供的一种三维静电纺丝的制备方法中未公开的细节，请参见本申请实施例第一方面提供的一种三维静电纺丝的制备装置。

所述一种三维静电纺丝的制备方法，具体包括：

步骤s101：获取所需三维纳米纤维的结构特征，所述结构特征包括三维纳米纤维厚度和三维纳米纤维比表面积；

步骤s102：根据所述结构特征，设定三轴位移控制系统的运动速度及步长，以及设定静电纺丝参数；所述静电纺丝参数包括：进液流量，纺丝温度，纺丝相对湿度，纺丝时间，高压可调直流电源电压幅值，液体收集装置与金属针头之间的垂直距离，收集液体的流速、种类和温度，以及液体收集装置的运动轨迹。

具体的，由于三轴位移控制系统的运动速度越小，步长越低，获得的三维纳米纤维的厚度越小，比表面积越大，反之亦然。因此需要先根据所需纳米纤维的结构特征，来设定三轴位移控制系统的运动速度及步长。

进一步的，在结构参数中，所得纳米纤维的直径对于提高纳米纤维的比表面积具有重要的作用，静电纺丝参数中纺丝电压和纺丝溶液浓度是决定纳米纤维直径的主要因素，随着静电纺丝电压的增大，金属针头处的纺丝溶液表面电荷密度增加，所受电场力的拉伸效应增加，有利于减小纳米纤维的直径，而随着纺丝溶液浓度的增加，纺丝溶液的粘度显著增大，不易被电场拉伸，所得纳米纤维直径较大。因此需要根据所需纳米纤维的结构特征，经过实验得到最适宜的静电纺丝参数设定值。

步骤s103：根据所述三轴位移控制系统的运动速度及步长，以及根据所述静电纺丝参数进行静电纺丝，获得纳米纤维液体混合物。

步骤s104：通过冷冻干燥法对所述纳米纤维液体混合物进行处理，获得所述所需三维纳米纤维。

进一步的，所述冷冻干燥法为：将所述纳米纤维液体混合物置于冷冻干燥器中，温度设置为-87摄氏度，干燥12小时。

下面将通过具体实施例，对本申请实施例所提供的一种三维静电纺丝的制备方法进行详细描述。

本申请实施例首先选用聚偏氟乙烯(pvdf)溶于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)与丙酮的混合溶液中形成纺丝溶液，其中，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)与丙酮的质量比为9:1；然后，将混合均匀的纺丝溶液注入蠕动泵推液系统中，纺丝溶液通过金属针头喷射到空气中进行静电纺丝。

本实施例的纺丝参数为：正极性高压直流电源为28千伏，负极性高压直流电源的电压设置为2千伏，液体收集装置中采用乙醇作为收集液体，液体流量保持在10毫升/分钟，温度保持在50℃，金属针头与收集液体液面的垂直距离为15厘米，纺丝溶液的进液流量为1毫升/小时，静电纺丝时间为3小时，冷冻干燥处理参数为-87℃、12小时。

按照上述纺丝参数和预设的纺丝程序进行静电纺丝，从而得到符合预设要求的纳米纤维。在电场力的作用下，金属针头处的带电纺丝溶液所受的电场力大于纺丝溶液的表面张力，从而以较大的初速度从金属针头顶端喷出，形成高速射流，射流过程中溶剂挥发，其余物质则被液体收集装置接收。

达到纺丝时间后，将液体池取出并放置到冷冻干燥器中，在-87℃的条件下干燥12小时，即可得到具有三维结构的纳米纤维，具体参见图3和图4，获得的三维纳米纤维的平均直径为285nm，具体参见图5。

具体的，在上述设置条件下，纺丝过程中纤维拉伸均匀，所得纳米纤维均匀连续，直径分布均匀，纤维中没有珠串结构，说明此时的纺丝条件设置适宜，在此条件下的纺丝溶液具有良好的可纺性。在本申请具体实施例的实施过程中发现，若纺丝电压降低至正极性高压为23kv，其他条件保持不变，由于此时的纺丝电压较低，纺丝溶液得到的拉伸不足，纺丝溶液出现一定程度的滴落现象，同时观察所得纤维的电镜照片发现纤维因拉伸不充分出现了较多的珠串结构，纤维的均匀性较差；在本申请具体实施例的实施过程中还发现，若纺丝电压升高至正极性高压为33kv，其他条件保持不变，由于此时的电场强度过高，纤维所受的拉伸效应过强，导致断续状细丝的出现，严重降低了所得纳米纤维的机械强度。

由上述技术方案可知，本申请提供一种三维静电纺丝的制备装置和方法，通过调控静电纺丝参数和收集液体的理化性质，实现对三维纳米纤维密度和厚度的调控，增强纳米纤维的实用性和可行性，拓宽纳米纤维的应用领域。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。