[發明專利]一種扭曲螺旋結構微納米纖維的制備方法

無效

• 申請號: 200910015354.2
• 申請日: 2009-05-23
• 公開（公告）號: CN101586258A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 龍云澤;唐成春;李蒙蒙;尹志華;尹紅星
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00;D01F1/10
• 代理公司: 青島高曉專利事務所
• 代理人: 于正河

技術領域：

本發明涉及一種微納米扭曲螺旋結構纖維的靜電紡絲技術領域中的紡絲方法，特別是一種采用靜電紡絲技術制備扭曲螺旋結構微納米纖維的方法。

背景技術：

扭曲螺旋結構是自然界中很重要的一種纖維結構形式(例如羊毛；此外，我們熟知的生命遺傳物質脫氧核糖核酸DNA是雙螺旋結構)，這種螺旋結構使纖維具有較強的柔韌性、微彈性和很高的孔隙度，在服裝紡織、微電子器件、高級光學元件、吸附過濾材料和藥物傳輸等諸多領域有廣泛的應用前景。目前已有報道采用氣相沉積、蒸發處理法、溶膠-凝膠收縮法等制備螺旋管結構碳纖維，以及氧化鋅、氧化錳、二氧化硅等無機氧化物螺旋結構纖維。

靜電紡絲是近十多年來被廣泛研究和使用的制備準一維微納米纖維的一種新技術，具有操作工藝簡單以及較廣泛的適用性等特點。靜電紡絲是利用紡絲容器噴頭和收集極之間的高壓靜電場作用，使高分子紡液射流發生拉伸細化和(或)劈裂，最終形成微納米纖維并沉積在收集裝置上。首先液滴在電場中形成泰勒錐，錐點上電場達到一定強度后，液滴克服表面張力噴射出形成拉伸細流，細流在空氣中進一步劈裂拉伸，溶劑揮發，固化形成納米纖維。纖維的直徑分布范圍可從幾個微米到最小幾個納米之間變化。

目前國內外已有相當多的文獻報道靜電紡絲方法制備有機、無機、生物等各種微納米纖維，所制備的纖維一般都是直線型的或者分叉網格型，只有較少文獻涉及電紡技術制備扭曲螺旋結構微納米纖維。從文獻報道來看，通過控制合適的電紡絲條件(例如紡液黏度、紡絲電壓)以及選擇合適的紡液成分(例如一種導電另一種不導電的雙組分溶液，一種高斷裂伸長率的高聚物和低斷裂伸長率的熱塑性高聚合物共混溶液)，可以采用典型的靜電紡絲裝置制備螺旋結構和鋸齒狀結構的微納米纖維。也有報道采用一種改進的并列型紡絲裝置(或微噴射流電紡絲噴頭)進行電紡螺旋纖維的工藝，它是由兩種不同的聚合物從側通道加入同一個噴絲頭噴出來完成的。以上報道的這些方法對電紡條件或紡液成分的要求有時太高，不具備廣泛的適用性。

關于扭曲螺旋結構電紡纖維的形成機理，已有好幾個研究小組進行了研究探討。例如，Shin等[Applied?Physics?Letters?88(22)，113(2006)]用單一的非導電高聚物聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)，采用典型的靜電紡絲裝置，制備出了具有扭曲螺旋結構的納米纖維。其原理是在靜電紡絲噴射過程中產生的物理力以及扭曲不穩定性(electrical?bending?instability，buckling?instability)[Journal?of?AppliedPhysics?89(5)，2598(2001)；Polymer?48，6064-6076(2007)；高等學校化學學報，27(6)，1178(2006)]，對螺旋結構的形成具有很大的影響。Kessick等[Applied?Physics?Letters?84(23)，4807(2004)]用典型的靜電紡絲裝置對絕緣的聚環氧乙烷和導電的聚苯胺磺酸雙組分溶液進行了電紡絲研究，得到了具有螺旋結構的纖維。他們認為當帶電的高聚物纖維落于導電接受板時，最初導電的聚苯胺磺酸部分所帶電荷被轉移，導致纖維受力不均勻而發生結構重排，并自發收縮成螺旋結構。李教授等[北京服裝學院學報，27(4)，1-6(2007)；合成纖維，2007No.7，1-4]將一種高斷裂伸長率的高聚物和一種低斷裂伸長率的熱塑性高聚物共混紡絲，絲條在高壓電場下受電場力拉伸，由兩者斷裂伸長率的不同，產生不同的伸縮，從而制得纖維扭曲形成螺旋結構，而且發現兩種高聚物斷裂伸長率相差越大，形成的螺旋結構越明顯。此外還有人[Polymer，44(2)，6353(2003)；Advanced?Materials?17(22)，2699(2005)]用并列型紡絲裝置，從兩個毛細管側通道中以不同流速注入紡液噴頭，通過控制流速和紡液成分也制得了螺旋結構。總之單螺旋結構是通過改變纖維內部力學分布，使其在成型前后自扭曲形成螺旋結構。歸結起來，現有的技術普遍存在著工藝相對復雜、普及應用性差、生產成本高等缺點。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計一種利用靜電紡絲方法制備螺旋結構微納米纖維的工藝方法，特別是設計一種新的簡單的工藝方法，即在中空針頭內套制金屬針尖構成紡絲噴頭，可以在常規的紡絲條件下制備以螺旋和波浪型扭曲結構為主的微納米纖維，提高扭曲螺旋結構纖維所占的比例，而且對電紡條件和紡液成分沒有嚴格要求，具有普適性。