十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法技术

本发明专利技术公开了一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法。该方法通过静电纺丝装置喷射聚合物溶液，结合专用的纺丝基底实现二维有向纳米纤维阵列的制备。通过改变基底的电场方向，可以控制每层纳米纤维阵列的方向，从而制备十字交叉堆叠纳米纤维；通过对溶液参数和操作参数的调整，可以控制纳米纤维的直径和每层纳米纤维的密度。

【技术实现步骤摘要】
十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法
本专利技术涉及静电纺丝领域，尤其是涉及一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列的制备方法。
技术介绍
近年来，纳米纤维越来越受到人们的关注，纳米纤维具有比表面积大、重量轻、机械性能好等特点，在过滤材料、防护材料、生物医学、微纳传感器等领域具有广阔的应用前景。制备纳米纤维的方法多种多样，静电纺丝法制备纳米纤维具有可控性好、连续性强、可制备连续的纳米纤维、所需设备简单等优点，受到广大研究者的青睐，是目前制备纳米纤维最有效的方法。要想实现静电纺丝纳米纤维的工业化应用，必须能够快速、连续地制备均匀、可取向排列的纳米纤维，但静电纺丝通常只能获得随意方向弯曲的、纤维连续的无纺垫结构，且普遍存在珠状颗粒；同时所纺纤维直径大小不一；对于非极性聚合物溶液必须在溶液中掺杂导电纳米粒子。近年来，一些研究通过改变接收器结构，从而改变电场分布以获得局部区域的定向纤维，然而其定向纤维制备能力仍然非常有限，难以在特定位置点之间制备微纳纤维。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列的制备方法。利用静电纺丝与专用纺丝接收装置，通过改变电场方向，实现快速高效地制备十字交叉堆叠纳米纤维阵列，通过对溶液参数和操作参数的调整，可以更为精确的控制纳米纤维的直径。为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术首先公开了一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法，该方法的具体步骤如下：1)室温下，将聚合物加入配制好的溶剂中，搅拌混合得到纺丝溶液；2)将专用的纺丝接收基底安装在静电纺丝装置上，所述的专用的纺丝接收基底由PCB基板、两对电极组成，两对电极设置在PCB基板上且两对电极分别位于水平和垂直两个方向；并将水平方向的两个电极接地，垂直方向的两个电极接高压电源；然后将纺丝喷头安装于支架上，调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对某个接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头导电部分接高压直流电源；3)通过注射泵进给纺丝溶液，调节高压直流电源电压，开始在水平方向纺丝；4)当水平方向纺丝结束后,再将垂直方向的两个电极接地，水平方向的两个电极接高压电源，然后重复步骤3)，在垂直方向纺丝。5)重复步骤3)和4)，最终即可得到十字交叉堆叠纳米纤维阵列。优选的，所述的聚合物溶质所述的聚合物要求在室温下溶解均匀，具有一定的粘度，如聚氧乙烯(PEO)、尼龙(PA)、聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLLA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚丙交酯(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等，根据功能需求可采用单一聚合物或混合聚合物，也可采用天然高分子化合物或无机物。优选的，所述的纺丝溶液的粘度为0.1～2.0Pa·s。优选的，所述的纺丝过程具体为：纺丝接收基底上的一对电极接地，与其垂直方向的另一对电极接高电势，电场诱导纤维只在接地的这对电极间运动并在这对电极间形成有向阵列。本专利技术所述的溶剂要求能溶解所选用的聚合物溶质，优选的要求在常温下易快速挥发。如可以选用二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)等有机溶剂。在所述的步骤3)和4)中，通过对纺丝溶液的参数(粘度、表面张力、导电性等)和操作参数(电压、喷头与收集板的间距、纺丝溶液进给速度)，控制纤维的直径和每层纳米纤维的密度。本专利技术还公开了一种所述方法制备得到的十字交叉堆叠纳米纤维阵列。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术可以实现纳米级的十字交叉结构堆叠纳米纤维阵列的制备，采用十字交叉堆叠形成规整阵列，可制备具有有序微观结构的新型材料；(2)本专利技术所用装置简单且实现了自动化，能高速、连续地制备十字交叉堆叠纳米纤维阵列；(3)本专利技术结构参数可控性良好，可控制纤维的直径和每层纳米纤维的密度，制备不同功能的材料。附图说明图1是十字交叉堆叠纳米纤维阵列结构示意图。图2是静电纺丝装置结构示意图。图3是专用的纺丝接收装置结构示意图。图中：1、纳米纤维，2、铜电极，3、PCB基板，4、纺丝喷头，5、高压直流电源。图4是十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备过程示意图。具体实施方式下面举实施例说明本专利技术，但本专利技术并不限于下述的实施例。参照附图1，采用本专利技术方法制备十字交叉堆叠纳米纤维阵列，具体步骤如下：1)本专利技术通过溶液喷射和专用纺丝接收装置实现十字交叉堆叠纳米纤维阵列的制备。如图2所示，溶液喷射装置由纺丝喷头4、高压直流电源5组成；如图3所示，纺丝接收装置由铜电极2、PCB基板3组成，两对铜电极垂直分布在PCB基板上；2)室温下，将聚合物加入配制好的溶剂中，搅拌混合得到纺丝溶液；3)十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备过程如图4所示。将水平方向的两个电极接地，垂直方向的两个电极接高电势U；然后将纺丝喷头安装于支架上，调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对左侧接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头导电部分接高压直流电源5。4)调节高压直流电源电压提供高压电势，产生由由纺丝喷头指向接地的电极表面的电场；然后通过注射泵进给纺丝溶液至纺丝喷头，并在纺丝喷头处带上电荷沿电场线向接地的右侧电极移动，同时，溶剂在空中不断挥发导致溶质固化，得到带电的纳米纤维，在纳米纤维运动到达右侧电极的瞬间，由于纳米纤维带电，与纳米纤维接触的电极瞬间带电，使得电场发生偏转，导致纳米纤维向左侧移动；如此往复，即可在左右两个电极之间形成水平的纳米纤维阵列。5)当水平方向纺丝结束后。再将垂直方向的两个电极接地，水平方向的两个电极接高电势U，然后重复步骤4)，在垂直方向纺丝。6)重复步骤4)和5)，最终即可得到十字交叉堆叠纳米纤维阵列。实施例1：1)室温下，将二甲基甲酰胺(DMF)与四氢呋喃(THF)以质量比1：1混合作为溶剂，然后将聚氨酯(PU)颗粒加入溶剂中使其质量分数为20％-30％，再用电磁搅拌器搅拌2小时得到纺丝溶液；2)调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对左侧接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头导电部分接高压直流电源5；然后将水平方向的两个电极接地，垂直方向的两个电极接高电势U，约为1-3KV，3)调节高压直流电源为10-15KV左右，然后通过注射泵以0.2-0.8ml/h的速度进给纺丝溶液，溶液在纺丝喷头处带上电荷沿电场线向接地的右侧电极移动，同时，溶剂在空中不断挥发导致溶质固化，得到带电的纳米纤维，在纳米纤维运动到达右侧电极的瞬间，由于纳米纤维带电，与纳米纤维接触的电极瞬间带电，使得电场发生偏转，导致纳米纤维向左侧移动；4)每层纺丝1min后，切换电场方向：将垂直方向的两个电极接地，水平方向的两个电极接高电势U，在垂直方向进行纺丝。5)重复步骤(4)和(5)，叠加120层，得到十字交叉堆叠的聚氨酯纳米纤维阵列，所得纤维的直径约为1um，纤维之间的间距为5-10um。实施例2：1)室温下，将二甲基甲酰胺(DMF)与四氢呋喃(THF)以质量比1：1混合作为溶剂，然后将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)加入溶剂中使其质量分数为25％-35％，再用电磁搅拌器搅拌2小时得到纺丝溶液；2)调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对左侧接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法，该方法的具体步骤如下：1)室温下，将聚合物加入配制好的溶剂中，搅拌混合得到纺丝溶液；2)将专用的纺丝接收基底安装在静电纺丝装置上，所述的专用的纺丝接收基底由PCB基板、两对电极组成，两对电极设置在PCB基板上且两对电极分别位于水平和垂直两个方向；并将水平方向的两个电极接地，垂直方向的两个电极接高压电源；然后将纺丝喷头安装于支架上，调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对某个接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头导电部分接高压直流电源；3)通过注射泵进给纺丝溶液，调节高压直流电源电压，开始在水平方向纺丝；4)当水平方向纺丝结束后,再将垂直方向的两个电极接地，水平方向的两个电极接高压电源，然后重复步骤3)，在垂直方向纺丝。5)重复步骤3)和4)，最终即可得到十字交叉堆叠纳米纤维阵列。

【技术特征摘要】
1.一种十字交叉堆叠纳米纤维阵列制备方法，该方法的具体步骤如下：1)室温下，将聚合物加入配制好的溶剂中，搅拌混合得到纺丝溶液；2)将专用的纺丝接收基底安装在静电纺丝装置上，所述的专用的纺丝接收基底由PCB基板、两对电极组成，两对电极设置在PCB基板上且两对电极分别位于水平和垂直两个方向；并将水平方向的两个电极接地，垂直方向的两个电极接高压电源；然后将纺丝喷头安装于支架上，调节纺丝喷头的高度与位置使其前端垂直正对某个接地的电极，纺丝喷头后端通过导管与注射泵相连，纺丝喷头导电部分接高压直流电源；3)通过注射泵进给纺丝溶液，调节高压直流电源电压，开始在水平方向纺丝；4)当水平方向纺丝结束后,再将垂直方向的两个电极接地，水平方向的两个电极接高压电源，然后重复步骤3)，在垂直方向纺丝。5)重复步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东，陈然，孙泽勇，孔琳琳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33