生产纳米纤维及其构建体的设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于生产聚合物纤维的设备和方法，特别地涉及生产纤维及其构建体的无喷嘴静电纺丝设备和方法，其中，通过使用脉冲和/或突发脉冲超声波来产生纳米纤维。

Equipment and methods for the production of nanofibers and their structures

The invention relates to an apparatus and a method for producing polymer fibers, in particular to a nozzles electrospinning device and method for producing fibers and their structures, wherein, nanofibers are produced by using pulse and / or burst ultrasonic waves.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生产纳米纤维及其构建体的设备和方法
本专利技术涉及生产纤维及其构建体的静电纺丝设备和方法，特别地涉及无喷嘴静电纺丝设备，其中，通过使用脉冲和/或突发脉冲超声波来产生纳米纤维。
技术介绍
静电纺丝使用电位差来从液体中抽出精细的(通常是微米级或纳米级的)纤维。这种工艺不需要凝结化学作用或高温以从溶液中产生固体丝。这使得这种工艺特别适于使用大且复杂的分子来生产纤维。静电纺丝已被用于生产与许多应用相关的纳米结构。它们包括过滤介质、复合材料、防护服、微型和光电设备、光子晶体和柔性光电池。纳米纤维的生物医学应用包括在组织工程以及支架的生产、伤口敷料和药物释放系统中的使用。标准静电纺丝配置包括连接到高压(5kV至50kV)直流电源的喷丝头(通常为皮下注射针)、注射泵和接地的收集器。将聚合物溶液、溶胶-凝胶、颗粒悬浮液或熔体装载到注射器中，并通过注射泵以恒定速率从针尖挤出该液体。标准静电纺丝具有其缺点，特别是注射器针头堵塞。高粘度聚合物穿过小口径针头也可能有问题。另外，为了实现高生产率，需要使用许多针头。为了克服这些问题，已经开发出无针静电纺丝方法和设备。亚林(Yarin)和苏斯曼(Zussman)(聚合物(Polymer)，45，2004，pp.2977-2980)公开了一种双层系统，其中下层是铁磁悬浮液，上层是聚合物溶液。当该系统经受强磁场时，磁悬浮液的稳定竖直尖峰从层间界面以及聚合物层的最上表面的自由表面突出。当对系统施加电场时，自由表面的扰动成为指向上的喷射的部位，并且固化的纳米纤维能够沉积在上方的对电极上，如在普通静电纺丝工艺中。虽然亚林(Yarin)和苏斯曼(Zussman)的工艺解决了与标准静电纺丝技术相关联的一些问题，但仍然有一些缺点。为了稳定该工艺，需要一种特殊的对电极。此外，仅能够通过改变传统的静电纺丝参数(诸如通过化学改性改变纺丝溶液的性质)和通过改变电压来改变纤维的拓扑(topology)或尺寸。这些通常是缓慢的过程。JP2009052171A、JP2010216049A、CN203096243U和CN1986913A描述了一种通过向带电介质的表面施加超声波以产生波而从聚合物表面静电纺丝的方法。通过向聚合物施加电压，纤维从在表面上产生的波的波峰喷出。然而，从聚合物表面静电纺丝而没有适当的聚焦或波束控制是不提供对喷出的纤维进行空间-时间控制的统计过程。JP2010216049A建议了改进对超声波聚焦的各种方法，包括使用平行四边形形状的容纳容器，调整超声波源的数量、主方向、频率和振幅，以及通过将超声波朝向焦点反射。然而，特别是单个纤维的受控形成或多个纤维的受控形成仍然是使用相对低的电场时的挑战。
技术实现思路
本专利技术基于观察到当使用脉冲和/或突发脉冲超声波执行静电纺丝时能够解决或至少减轻与聚合物纤维的受控形成有关的问题。因此，本专利技术的目标在于，提供一种用于生产聚合物纤维的设备，该设备包括：-用于聚合物介质的开放室，-电压产生装置，电压产生装置包括定位在开放室中的电极，该电压产生装置被构造成向聚合物介质施加电压，-被构造成产生超声波束的装置，该装置包括超声波信号产生装置和超声波换能器，以及-在开放室和超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜。本专利技术的设备的超声波信号产生装置被构造成产生包括脉冲和突发脉冲中的至少一种的超声波束驱动信号。本专利技术的另一目标在于，提供一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法，该方法包括：-提供聚合物介质，-使聚合物介质经受超声波束，和-向聚合物介质施加电压。根据本专利技术的方法，通过使用包括脉冲和突发脉冲中的至少一种的超声波束来执行所述经受。本专利技术的又另一目标在于，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于控制可编程处理器以检查泰勒锥和/或喷出的纤维的计算机可执行指令，其中该程序适于评估能够通过根据权利要求22所述的方法获得的数据。本专利技术的又另一目标在于提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用根据权利要求23所述的计算机程序进行编码的计算机可读介质。本专利技术的又另一目标在于，提供一种使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维束的方法，所述静电纺丝设备包括收集器板，该方法包括：-提供聚合物介质，-使聚合物介质经受多个超声波束，所述超声波束包括脉冲和突发脉冲中的至少一种，-向聚合物介质施加电压，-将多个聚合物纤维引导至收集器板上的基本相同的位置，以及-旋转收集器板。本专利技术的又另一目标在于，提供一种能够通过本专利技术的方法获得的包括基质的聚合物纤维。本专利技术的又另一目标在于，提供一种支架，该支架包括能够通过本专利技术的方法获得的包括基质的聚合物纤维。在所附从属权利要求中描述了本专利技术的另外的目标。当结合附图阅读时，从下文对具体示例性实施例的描述可以关于结构和操作方法最好地理解本专利技术的例证且非限制性实施例以及本专利技术的附加目的和优点。在本文件中使用的动词“包括(tocomprise)”和“包括(toinclude)”为开放性限制，其既不排除也不需要存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则所附从属权利要求中叙述的特征都可相互自由组合。此外，应理解，贯穿本文献使用的“一(a)”或“一个(an)”，即单数形式，不排除多个。附图说明图1A示出根据本专利技术的用于生产聚合物纤维的非限制性的示例性设备。图1B示出图1A中描绘的该设备的一个区块。图2示出从通过使用根据本专利技术的示例性设备获得的以超声波方式产生的聚合物突起形成超声波突发脉冲引起的纤维的高速相机照片(以238kFPS获取的镜头)。(A)＝在纤维形成之前产生的超声波突起。(B)＝在超声波突发脉冲(突发脉冲持续时间46μs)击中突起的顶端时的瞬间的突起顶端。(C)＝从突起顶端形成的泰勒锥(聚合物电荷—20kV)，并且(D)＝从泰勒锥形成的纤维。图3示出根据本专利技术的使用各种设定生产的示例性纳米纤维(A-F)，以及根据现有技术生产的纳米纤维(G)(在三种不同的声场强度下使用高强度聚焦超声波从3％PEO水溶液纺出的纳米纤维的SEM图像。通过改变超声波场的振幅而在空间上对纤维进行修改。低振幅—260mV(+通过功率放大器放大)，中振幅—500mV，高振幅—650mV。从聚合物表面至收集器的距离—150mm，DC电压—11.3kV。通过以2.2MHz的载波频率和150Hz的脉冲重复频率施加250个循环声音突发脉冲而产生超声波柱)。图4示出根据本专利技术的使用不同超声波设定制备的示例性纳米纤维的厚度，以及根据现有技术生产的纳米纤维的厚度(在由传统的针ES(参考)制备的样品和在三种不同的声场强度下由振幅调制超声波ES从3％PEO水溶液制备的样品中测量的平均纳米直径(nm,±SD)。低1+2—260mV(+通过功率放大器放大)，测试1+测试2；中1+2—500mV，测试1+测试2；高1+2—650mV，测试1+测试2。从聚合物表面至收集器的距离—150mm，DC电压—11.3kV。通过以2.2MHz的载波频率和150Hz的脉冲重复频率施加250个循环声音突发脉冲而产生超声波柱。图5示出药物从根据本专利技术制备的聚合物纤维释放的释放曲线(吡罗昔康从水中的壳聚糖/聚环氧乙烷纳米片的溶解。样品在两种不同的声场强度下由振幅调制超声波ES从壳聚糖/聚环氧乙烷/吡罗昔康溶液制备。USES样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产聚合物纤维(119)的设备，所述设备包括：‑用于聚合物介质(110)的开放室(101)，‑电压产生装置，所述电压产生装置包括定位在所述开放室中的电极(108)，所述电压产生装置被构造成向所述聚合物介质施加电压，‑超声波束产生装置，所述超声波束产生装置包括信号产生装置(113)和超声波换能器(114)，‑在所述开放室和所述超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜(103)，其特征在于，所述信号产生装置被构造成产生超声波束驱动信号，所述信号包括脉冲和突发脉冲中的至少一种。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.24 FI 201500871.一种用于生产聚合物纤维(119)的设备，所述设备包括：-用于聚合物介质(110)的开放室(101)，-电压产生装置，所述电压产生装置包括定位在所述开放室中的电极(108)，所述电压产生装置被构造成向所述聚合物介质施加电压，-超声波束产生装置，所述超声波束产生装置包括信号产生装置(113)和超声波换能器(114)，-在所述开放室和所述超声波换能器之间的电绝缘但是声传导的膜(103)，其特征在于，所述信号产生装置被构造成产生超声波束驱动信号，所述信号包括脉冲和突发脉冲中的至少一种。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述信号产生装置(113)还包括被构造成修改换能器电压、换能器脉冲/突发脉冲持续时间、换能器脉冲重复频率、换能器频率含量、换能器信号声学线性/非线性以及换能器信号特征中的一项或多项的装置(116、117)。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括在所述膜(103)和所述超声波换能器(114)之间的密封室(102)，该室包括电绝缘但是声传导的材料(109)。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括被构造成使所述密封室(102)中的材料(109)循环和/或改变所述密封室(102)中的材料(109)的装置(127)。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中，所述材料(109)选自油，特别是矿物质油，以及固态环氧聚合物。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述膜(103)包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，所述设备还包括：-电接地的或带电的收集器板(111)，所述收集器板被构造成收集聚合物纤维，和-优选地，收集器板操纵装置(115)，所述收集器板操纵装置被构造成使所述收集器板沿着正交的x方向、y方向和z方向移动。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的设备，所述设备还包括：-被构造成产生AC/DC场并且朝向所述收集器板引导聚合物纤维的装置(120b)。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的设备，所述设备还包括：-被构造成调制泰勒锥(125)的顶端和/或离开所述泰勒锥的聚合物纤维的层状部分的装置(121)。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的设备，所述设备还包括被构造成从泰勒锥和/或喷出的聚合物纤维(119)拍摄一张或多张照片的装置(120)。11.一种用于使用静电纺丝设备来生产聚合物纤维的方法，所述方法包括：-提供聚合物介质，-使所述聚合物介质经受超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊沃·莱丹迈，海基·涅米宁，阿勒·萨尔米，特尔·波林，蒂莫·劳哈拉，卡伊·福尔克，约科·于利鲁西，于尔基·海内迈基，爱德华·黑格斯特伦，皮普·韦斯基，
申请(专利权)人：赫尔辛基大学，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI