[发明专利]一种扭曲螺旋结构微纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种微纳米扭曲螺旋结构纤维的静电纺丝技术领域中的纺丝方法，特别是一种采用静电纺丝技术制备扭曲螺旋结构微纳米纤维的方法。

背景技术：

扭曲螺旋结构是自然界中很重要的一种纤维结构形式(例如羊毛；此外，我们熟知的生命遗传物质脱氧核糖核酸DNA是双螺旋结构)，这种螺旋结构使纤维具有较强的柔韧性、微弹性和很高的孔隙度，在服装纺织、微电子器件、高级光学元件、吸附过滤材料和药物传输等诸多领域有广泛的应用前景。目前已有报道采用气相沉积、蒸发处理法、溶胶-凝胶收缩法等制备螺旋管结构碳纤维，以及氧化锌、氧化锰、二氧化硅等无机氧化物螺旋结构纤维。

静电纺丝是近十多年来被广泛研究和使用的制备准一维微纳米纤维的一种新技术，具有操作工艺简单以及较广泛的适用性等特点。静电纺丝是利用纺丝容器喷头和收集极之间的高压静电场作用，使高分子纺液射流发生拉伸细化和(或)劈裂，最终形成微纳米纤维并沉积在收集装置上。首先液滴在电场中形成泰勒锥，锥点上电场达到一定强度后，液滴克服表面张力喷射出形成拉伸细流，细流在空气中进一步劈裂拉伸，溶剂挥发，固化形成纳米纤维。纤维的直径分布范围可从几个微米到最小几个纳米之间变化。

目前国内外已有相当多的文献报道静电纺丝方法制备有机、无机、生物等各种微纳米纤维，所制备的纤维一般都是直线型的或者分叉网格型，只有较少文献涉及电纺技术制备扭曲螺旋结构微纳米纤维。从文献报道来看，通过控制合适的电纺丝条件(例如纺液黏度、纺丝电压)以及选择合适的纺液成分(例如一种导电另一种不导电的双组分溶液，一种高断裂伸长率的高聚物和低断裂伸长率的热塑性高聚合物共混溶液)，可以采用典型的静电纺丝装置制备螺旋结构和锯齿状结构的微纳米纤维。也有报道采用一种改进的并列型纺丝装置(或微喷射流电纺丝喷头)进行电纺螺旋纤维的工艺，它是由两种不同的聚合物从侧通道加入同一个喷丝头喷出来完成的。以上报道的这些方法对电纺条件或纺液成分的要求有时太高，不具备广泛的适用性。

关于扭曲螺旋结构电纺纤维的形成机理，已有好几个研究小组进行了研究探讨。例如，Shin等[Applied Physics Letters 88(22)，113(2006)]用单一的非导电高聚物聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)，采用典型的静电纺丝装置，制备出了具有扭曲螺旋结构的纳米纤维。其原理是在静电纺丝喷射过程中产生的物理力以及扭曲不稳定性(electrical bending instability，buckling instability)[Journal of AppliedPhysics 89(5)，2598(2001)；Polymer 48，6064-6076(2007)；高等学校化学学报，27(6)，1178(2006)]，对螺旋结构的形成具有很大的影响。Kessick等[Applied Physics Letters 84(23)，4807(2004)]用典型的静电纺丝装置对绝缘的聚环氧乙烷和导电的聚苯胺磺酸双组分溶液进行了电纺丝研究，得到了具有螺旋结构的纤维。他们认为当带电的高聚物纤维落于导电接受板时，最初导电的聚苯胺磺酸部分所带电荷被转移，导致纤维受力不均匀而发生结构重排，并自发收缩成螺旋结构。李教授等[北京服装学院学报，27(4)，1-6(2007)；合成纤维，2007No.7，1-4]将一种高断裂伸长率的高聚物和一种低断裂伸长率的热塑性高聚物共混纺丝，丝条在高压电场下受电场力拉伸，由两者断裂伸长率的不同，产生不同的伸缩，从而制得纤维扭曲形成螺旋结构，而且发现两种高聚物断裂伸长率相差越大，形成的螺旋结构越明显。此外还有人[Polymer，44(2)，6353(2003)；Advanced Materials 17(22)，2699(2005)]用并列型纺丝装置，从两个毛细管侧通道中以不同流速注入纺液喷头，通过控制流速和纺液成分也制得了螺旋结构。总之单螺旋结构是通过改变纤维内部力学分布，使其在成型前后自扭曲形成螺旋结构。归结起来，现有的技术普遍存在着工艺相对复杂、普及应用性差、生产成本高等缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种利用静电纺丝方法制备螺旋结构微纳米纤维的工艺方法，特别是设计一种新的简单的工艺方法，即在中空针头内套制金属针尖构成纺丝喷头，可以在常规的纺丝条件下制备以螺旋和波浪型扭曲结构为主的微纳米纤维，提高扭曲螺旋结构纤维所占的比例，而且对电纺条件和纺液成分没有严格要求，具有普适性。