一种外圆内均分毛细管并列纺丝头、纺丝装置及纺丝方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，特别是涉及一种外圆内均分毛细管并列纺丝头、
一种带有外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置和利用该带有外圆内均分毛细管
并列纺丝头的并列电纺装置进行并列纳米纤维制备的方法。
背景技术
高压静电纺丝技术是一种自上而下(top-down)的纳米制造技术，通过外加电场力
克服喷头尖端液滴的液体表面张力和粘弹力而形成射流，在静电斥力、库仑力和表面张力
共同作用下，被雾化后的液体射流被高频弯曲、拉延、分裂，在几十毫秒内被牵伸千万倍，经
溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到纳米级纤维。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料
范围广泛、可控性强、并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的纳米纤维，被认为是
最有可能实现连续纳米纤维工业化生产的一种方法，应用该技术制备功能纳米纤维具有良
好的前景预期。
在通过纺丝头的设计制备具有微观结构特征的纳米纤维方面，最常见的是使用同
轴套毛细金属管为纺丝头，制备芯鞘结构纳米纤维 （Moghe AK and Gupta BS. Co-axial
electrospinning for nanofiber structures: Preparation and applications. Polym
Rev 2008;48:353-377.）。 对于两种组分来说，其空间结构关系只有两种，即内外关系的芯
鞘结构和左右关系的并列结构 （Walther A and Müller AHE. Janus particles:
synthesis, self-assembly, physical properties, and applications. Chem. Rev.
2013;113:5194-5261.）。目前应用同轴纺丝投制备芯鞘结构纳米纤维的报道有几千篇，而
应用并列纺丝头制备并列纳米纤维的文献仅十余篇。而实际在先进功能材料的开发应用
上，并列纳米纤维由于两种组分都与环境接触，因此比芯鞘纤维在设计制备多功能材料上
更具有优势。
造成这种现象的根本原因在于传统的做法是使用普通的并列两根金属毛细管为
并列纺丝头（Liu Z, et al. An Efficient Bicomponent TiO2/SnO2 Nanofiber
Photocatalyst Fabricated by Electrospinning with a Side-by-Side dual
Spinneret Method. Nano Lett. 2007;7:1081-1085.），很难得到结构完整的并列纳米纤
维。而深层次的原因是传统纺丝头的设计并没有遵循高压电场下物质的行为和基本的自然
规律。
现有的并列电纺技术都采用平行的并列金属毛细管为纺丝头，由于采用这种纺丝
头进行并列电纺时候，两股平行的流体在出口只有一个点进行接触，但是两股流体带有相
同的电荷，因此彼此容易因为相互排斥而分离，不能获得完整的并列结构。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种外圆内均分毛细管并列纺丝
头、纺丝装置及纺丝方法，所述的这种外圆内均分毛细管并列纺丝头、纺丝装置及纺丝方法
要解决现有技术纺丝过程中难以制备出并列结构特征清晰的纳米纤维的技术问题。
本发明提供了一种外圆内均分毛细管并列纺丝头，包括一个总毛细管，所述的总
毛细管中设置有一个直毛细管，所述的直毛细管的出口端和所述的总毛细管的出口端齐
平，所述的直毛细管的进口端伸出所述的总毛细管，所述的直毛细管的外侧壁紧贴所述的
总毛细管的内侧壁，所述的总毛细管中还设置有一个弯曲毛细管，所述的弯曲毛细管和所
述的直毛细管相邻设置，所述的弯曲毛细管的出口端设置在所述的总毛细管的内部，所述
的弯曲毛细管的进口端伸出所述的总毛细管。
进一步的所述的一种外圆内均分毛细管并列纺丝头，其总毛细管进口端与所含的
直毛细
管与弯曲毛细管之间采用环氧树脂胶粘密封。
进一步的，所述的弯曲毛细管在总毛细管中的长度为5 mm，所述的总毛细管的长
度为30 mm，所述的总毛细管、直毛细管和弯曲毛细管之间固定连接，直毛细管的长度为70
mm，弯曲毛细管的长度为20 mm。
进一步的，所述的直毛细管的进口端设置有一个接口，所述的接口的外侧壁上设
置有螺旋形的加强筋；所述的弯曲毛细管的进口端的外侧壁上设置有环形凸起。
本发明还提供了一种并列电纺装置，包括第一注射泵、第二注射泵、高弹性硅胶
管、纤维接收板、高压发生器，所述的第一注射泵和一个第一注射器连接，所述的第一注射
器中设置有第一种纺丝液体，所述的第二注射泵和一个第二注射器连接，所述第二注射器
中设置有第二种纺丝液体，所述的第一注射器通过硅胶管和一个上述的外圆内均分毛细管
并列纺丝头连接，所述的第二注射器和所述的外圆内均分毛细管并列纺丝头连接，所述的
外圆内均分毛细管并列纺丝头下端设置有一个纤维接收板，纤维接收板接地。
进一步的，在第一注射器内加入第一种纺丝液体，第二注射器内加入第二种纺丝
液体，通过电场作用，进行并列纳米纤维的制备。
本发明还提供了上述的制备并列纳米纤维的方法，包括如下步骤：
1)一个配制第一纺丝液的步骤，将聚乙烯吡咯烷酮加入到乙醇中，聚乙烯吡咯烷酮和
乙醇的质量比为8：92，搅拌均匀即得PVP的乙醇溶液；
2)一个配制第二纺丝液的步骤，将乙基纤维素加入到乙醇中，乙基纤维素和乙醇的质
量比为22 ：78g，搅拌均匀即得乙基纤维素的乙醇溶液；
3)将第一纺丝液加入到第一注射器中，将第二纺丝液加入到第二注射器中，然后开启
第一注射泵和第二注射泵；
4)控制两边纺丝液的流量均为1ml/h，开启高压发生器，将电压升为15kV进行并列电
纺，即得聚乙烯吡咯烷酮/乙基纤维素并列纳米纤维。
本发明的外圆内均分毛细管并列纺丝头有一个面供流体相接触，因此能够确保两
股流体的相互粘合，克服彼此之间的静电斥力，通过电纺过程、获得并列结构完整的纳米纤
维。采用本发明的外圆内均分毛细管的并列纺丝头，是一种符合高压电场下流体自然行为
的并列纺丝头，应用该纺丝头，可以单步有效地制备出结构完整、尺寸均一的并列纳米纤
维，为大规模生产和应用提供可能。
同时，传统的并列金属毛细管纺丝头中流体的充电呈不规则的形状，不利于泰勒
锥形成；而本发明的外圆内均分毛细管并列纺丝头为统一的圆形形状并且截面积更小，有
利于并列泰勒锥的形成。这些优势来源于本发明的外圆内均分毛细管并列纺丝头更符合高
压电场下流体充电与运行规律。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的外圆内均分毛细管并列
纺丝头应用简单、操作方便、易于控制，在高压电场下可以单步制备出并列结构特征清晰的
纳米纤维，并且可以通过增多纺丝头数量进行大规模放大生产。
附图说明
图1是本发明的外圆内均分毛细管并列纺丝头的整体外形示意图，1-总毛细管、2-
直毛细管、3-弯曲毛细管。
图2是本发明的外圆内均分毛细管并列纺丝头的出口拍摄图。
图3是带有外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置的结构示意图，9-高压
发生器、10-第一注射泵、11-第二注射泵、4-纤维接收板、5-外圆内均分毛细管并列纺丝头、
6-硅胶管、7-第一注射器、8-第二注射器。
图4是应用带有外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置制备PVP/EC并列结
构纳米纤维过程拍摄图。
图5是应用带有外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置制备PVP/EC并列结
构纳米纤维过程并列复合泰勒锥拍摄图。
图6是应用实施例所得PVP/EC并列结构纳米纤维扫描电子显微镜电镜图。
图7是应用实施例所得PVP/EC并列结构纳米纤维透射电子显微镜电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明
而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。
实施例1
本发明提供了一种外圆内均分毛细管并列纺丝头，其结构示意图如图1所示，包括一个
总毛细管1，所述的总毛细管1中设置有一个直毛细管2，所述的直毛细管2的出口端和所述
的总毛细管1的出口端齐平，所述的直毛细管2的进口端伸出所述的总毛细管1，所述的直毛
细管2的外侧壁紧贴所述的总毛细管1的内侧壁，所述的总毛细管1中还设置有一个弯曲毛
细管3，所述的弯曲毛细管3和所述的直毛细管1相邻设置，所述的弯曲毛细管3的出口端设
置在所述的总毛细管1的内部，所述的弯曲毛细管3的进口端伸出所述的总毛细管1。
进一步的所述的一种外圆内均分毛细管并列纺丝头，其总毛细管进口端与所含的
直毛细
管与弯曲毛细管之间采用环氧树脂胶粘密封。
进一步的，所述的弯曲毛细管3在总毛细管1中的长度为 5 mm，所述的总毛细管1
的长度为30 mm，所述的总毛细管1、直毛细管2和弯曲毛细管3之间固定连接，直毛细管3的
长度为70 mm，弯曲毛细管3的长度为20 mm。
进一步的，所述的直毛细管2的进口端设置有一个接口12，所述的接口12的内径从
外向内依次递减，所述的接口12的外侧壁上设置有螺旋形的加强筋；所述的弯曲毛细管3的
进口端的外侧壁上设置有环形凸起13，通过所述的凸起13和硅胶管6连接。
实施例2
一种带有实施例1中所述的外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置，其组成示
意图如图3所示，9-高压发生器、10-第一注射泵、11-第二注射泵、4-纤维接收板、5-外圆内
均分毛细管并列纺丝头、6-硅胶管、7-第一注射器、8-第二注射器。
一股流体的第二注射器8通过高弹性硅胶软管6连接弯曲毛细管3；另一股流体的
第一注射器7顶端直接连接外圆内均分毛细管并列纺丝头5的直毛细管2的接口12。这两个
注射器7、8分别固定在流体第一注射泵10和流体第二注射泵11之上。高压发生器9和外圆内
均分毛细管并列纺丝头5连接。外圆内均分毛细管并列纺丝头5下端设置有一个纤维接收板
4，接受平板4为铝箔包裹的硬纸板，该接受板接地。
应用实施例1
利用实施例2所述的外圆内均分毛细管并列纺丝头的并列电纺装置对两股流体进行电
纺，以制备PVP/EC并列纳米纤维，步骤如下：
（1）、纺丝液的配制
第一纺丝液，质量百分比浓度为8%的聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 乙醇溶液，其配制方法如
下：即将8g的PVP加入到92g的乙醇中，搅拌均匀即得质量百分比浓度为8%的PVP乙醇溶液；
第二纺丝液，质量百分比浓度为22%的乙基纤维素(EC) 的乙醇溶液，其配制方法如下：
即将22 g的EC加入到78g的乙醇中，搅拌均匀即得质量百分比浓度为22%的EC溶液；
（2）、将步骤（1）所得的第一纺丝液和第二纺丝液分别加入到相应注射器7、8中，然后开
启第一注射泵10和第二注射泵11；
（3）、控制两边纺丝液的流量均为1ml/h，开启高压发生器9，将电压升为15kV进行并列
电纺，电纺过程拍摄图如图4所示，过程中并列复合泰勒锥如图5所示。所制得的PVP/EC并列
纳米纤维通过纤维接受板收集。
应用实施例2
采用场扫描电镜对应用实施例1所制备的PVP/EC并列纳米纤维进行表面喷金后观察，
结果如图6所示。所制备的并列结构纳米纤维收集均匀并呈现良好的线性状态，直径为 580
±70nm。采用高分辨投射电子显微镜对所制备并列纳米纤维进行观察，结果如图7所示，纳
米纤维的双边即上边EC边和下边PVP边并列结构清晰。
以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本
发明的保护范围。