[發明專利]定向排列的聚合物螺旋納米纖維電紡制備方法及其設備

無效

• 申請號: 200810065403.9
• 申請日: 2008-02-22
• 公開（公告）號: CN101255611A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發明（設計）人: 于杰;邱業君;于記良;嘉偉·拉非克
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是制備定向排列的聚合物螺旋納米纖維的電紡技術，發明內容包括創新的設備及制備工藝。所屬技術領域是材料科學與工程。

背景技術

電紡(Electrospinning)是利用靜電力的作用制備連續納米纖維的技術，即將直流高壓施加于聚合物溶液(或熔體)與纖維收集裝置之間，聚合物溶液在靜電力的作用下高速噴出形成連續納米纖維。電紡絲是制備聚合物連續納米纖維的唯一方法，所制備纖維的直徑一般在3-500nm。1934年，美國工程師A.Formals在靜電力的作用下，實現醋酯纖維素(CA)溶液的電紡絲(A.Formalas，US?patent?1975504，1934)；隨后在1950-1980年，相繼有人進行研究；20世紀80年代后，尤其是近10年，研究較多。電紡絲裝置一般分三部分：高壓電源、毛細管和金屬接收裝置。高壓電源電壓在1-50kV；毛細管采用金屬、玻璃或塑料，其內徑一般為0.35-1.5mm；插人聚合物溶液中的金屬電極一般為金屬鉑或銅等；接收裝置根據不同要求可以采用不同的形狀，直接接地或接負的直流電源。電紡法制備的纖維一般是直纖維，采用特殊的手段或材料也可以獲得螺旋纖維，目前僅有4篇文章報道了螺旋纖維的制備技術。由于具有特殊的結構，螺旋纖維在多個方面具有重要的應用前景，這包括微納機電系統，微納電磁系統，復合材料，藥物傳輸及其它生物材料。例如，當電流通過螺旋纖維時會產生感應電流，因而可做為微納變壓器和開關，用螺旋纖維制備的復合材料具有超常的高彈性。因而制備螺旋纖維具有重要的應用價值。

迄今為止，只有5篇公開文獻報道聚合物螺旋纖維的制備技術。這些螺旋纖維的螺旋直徑在幾個微米到20多微米的的尺寸范圍。如Kessick等用一種導電和一種非導電的聚合物在導電基材上制備了復合物螺旋纖維，他們認為纖維中的導電相所攜帶的正電荷將首先被基材所帶負電荷中和，因而導電相將收縮，從而形成螺旋纖維(R.Kessick，G.Tepper.AppliedPhysics?Letters，2004，84，4807-4809)。Shin等用非導電聚合物制得了單相螺旋纖維，他們認為由于射流的彎曲不穩定性所引起的物理作用力在螺旋纖維的形成過程中起重要作用(M.K.Shin，S.I.Kim，S.J.Kim.Applied?Physics?Letters，2006，88，223109-1-223109-3)。Xin等制備了由兩種聚合物組成的復合物螺旋結構，他們宣稱電紡液的粘度和導電性以及工作電壓是影響螺旋纖維形成的主要因素(Y.Xin，Z.H.Huang，E.Y.Yan，W.Zhang，Q.Zhao.Applied?Physics?Letters，2006，89，053101-1-053101-3)。以上兩種方法對螺旋纖維形成機制的解釋并不令人信服。Lin等制備了由兩相組成的螺旋纖維，這兩相在纖維中沿軸向平行排列，一側一相，由于兩相的收縮率不同，在固化過程中形成了螺旋纖維(T.Lin，H.X.Wang，X.G.Wang.Advanced?Materials，2005，17，2699-2703)。Reneker等的工作真正揭開了螺旋纖維的形成原理，他們發現電紡纖維或射流撞擊到基材表面時會產生機械不穩定性，這種不穩定性驅使纖維在落到基材的過程中沿著螺旋路徑，因而導致螺旋纖維的形成(T.Han，D.H.Reneker，A.L.Yarin.Polymer，2007，48，6064-6076)。盡管如此，目前國際上還沒有找到一種簡單易行、普遍存在適用于各種材料的生產聚合物螺旋納米纖維的電紡方法。常規的電紡工藝制備的聚合物纖維都是紊亂排列的，而大部分的實際應用都要求纖維是定向排列的。目前，國內外已經建立了多種方法實現直纖維的定向排列，但是還沒有一種方法可以制備定向排列的螺旋纖維。前期我們已經建立了一種制備定向排列的聚合物直纖維的方法，并已申請了專利。本發明以上一個發明的裝置為基礎，建立了一種生產定向排列聚合物螺旋纖維的方法和裝置，創新點主要有三部分：(1)大規模制備聚合物螺旋纖維的方法，(2)實現了螺旋纖維的定向排列，(3)獲得了立體的螺旋纖維。

發明內容