[实用新型]一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头，特别是涉及一种适于同轴纤维的大批量及多功能复合纤维的生产的平板针孔同轴静电纺纤维复合喷丝头。

背景技术

传统的静电纺丝设备都是使用单一的毛细管状喷丝头喷丝，因此通常用于制备实心且表面光滑的单一组分的纳米纤维。同轴电纺纤维将核层和壳层材料的溶液分装在两个不同的注射器中，喷丝系统则由两个同轴但内径不同的毛细管组成，在高压电场的作用下，外层液体流出后与核层液体汇合。由于汇合时间很短，加上聚合物的扩散系数很低，两种液体固化前不会混合在一起。在高压电场力作用下，壳层液体经高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面将会产生强大的剪切应力，核溶液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，经拉伸变形固化成为超细同轴复合纳米纤维。在此基础上，把同轴纤维的核层溶掉，留下壳层材料，便可以得到中空的纤维。虽然同轴电纺技术的研究只有最近短短几年的时间，但由于制备的纤维具有独特的结构和功能，同轴纳米纤维在生物组织支架，药物释放，催化载体材料等很多方面比传统的单组分静电纺纤维有了更广阔的应用前景，已经受到越来越多的关注。

迄今为止，已探索出多种用于制备芯-壳结构纤维的技术，比如自组装法、模板合成法、激光消融法和基于静电纺丝技术的TUFT(tubes by bet templates)法等。但这些方法的制备过程和步骤往往较烦琐。使用同轴电纺技术则能够简便地制备出芯-壳结构的纳微米纤维。同轴电纺的原理和普通电纺相似，主要差异是把单一毛细管喷丝口改进为同心轴的复合毛细喷头。芯层材料和壳层材料的溶液分别装在两个推进容器中，壳层溶液在微量注射泵的驱动下进入复合喷丝装置内腔，然后从内外毛细喷丝口之间的环状空隙处流出；芯部溶液从内毛细喷头流出。因为直径较小内层毛细喷头置于直径较大外层毛细喷头内并保持同轴，所以壳层和芯部溶液在同轴纺丝装置内并不接触，而在同轴喷头端口处汇集并形成复合液滴，当接通高压电场，复合液滴表面马上富集大量电荷，当电荷聚集到一定程度在静电场力的作用下被拉伸成复合的Taylor锥，复合的Taylor锥被进一步牵伸后成芯-壳结构的喷射细流，由于在牵伸的过程中强烈的鞭动，随着溶剂在细流牵伸过程中快速挥发和喷射流的逐渐细化，最终芯-壳结构的超细纤维膜被收集在固定的接收装置上。

同轴静电纺纤维在催化、应用流体学、气体存储、能量转化、传感和环境保护等方面有着巨大的应用前景。静电纺丝法制备纳米纤维已成为当前制备纳米纤维的主要方法，并被认为是最有可能实现工业化生产纳米纤维的技术。现阶段关于同轴静电纺丝的研究虽取得了一定的突破，但目前该技术仍然停留在实验室阶段。这主要是由于两方面的原因：一是同轴静电纺理论研究还不是十分完善，如何得到包覆均匀的核-壳结构复合纳米纤维有的进一步解决；二是同轴静电纺丝装置的生产效率很低，不能满足大规模生产应用，设计高生产率同轴静电纺丝方法已成为新的研究方向。目前，同轴静电纺丝喷头主要是由内外2个同一轴心的针套针复合喷头，复合喷丝头由同轴的2个毛细管相互嵌套而成，内层与外层毛细管之间留有一定的缝隙以保证壳层液流的畅通，芯层液体通过内层毛细管在喷丝头尖端与壳层液流会合形成复合液滴。这种传统的针套针同轴喷丝头虽然容易制备，但却存在很大的缺陷。首先，针与针之间狭小细长的缝隙很容易使壳层溶液阻塞，不便于壳层溶液对芯层的包覆，也不便于清洗。其次，传统单针头单组分静电纺丝所存在的针-板式电场的不均匀性在此仍然存在，电场的不均匀也不利于同轴纤维的包覆及纺丝的顺利进行。最后，针套针同轴喷丝头不便于同轴纤维的大批量生产，生产效率低。

常用同轴静电纺丝喷头是主要是把传统静电纺丝的单一毛细管喷丝口改进为芯壳相套的同心轴复合毛细喷头，即我们所讲的针套针复合喷头。黄争鸣、张彦中（申请号：200310108130.9）利用一种共轴的针套针喷丝头（其内喷管和外喷管同轴）制得了具有广泛应用的超细共轴复合纤维。东华大学（申请号：200910048018.8）利用这种针套针壳－芯结构的同轴静电纺丝设备制备的壳－芯结构的纳米纤维可以同时负载两种或两种以上药物进行释放。湖南博弈飞装备新材料研究所（申请号：201220255003.6）利用具有两个进液口和一个复合喷头的同轴复合喷头来制备同轴纤维，但其复合喷头出丝口仍为壳管与芯管相套的针套针模式。针套针同轴复合喷头所形成的电场不均匀，壳层易包覆不匀或出现阻塞，且不易于同轴纤维的大批量生产。

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