一种环状结构微纳米纤维的制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104233488 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104233488 A (21)申请号 201410504310.7 (22)申请日 2014.09.28 D01D 13/00(2006.01) D01D 5/00(2006.01) D01D 1/02(2006.01) D01F 6/50(2006.01) D01F 6/56(2006.01) (71)申请人 青岛大学 地址 266071 山东省青岛市市南区宁夏路 308 号 (72)发明人 韩文鹏 龙云泽 于经学 闫旭 刘熠辰 于桂凤 赵惠 张红娣 (74)专利代理机构 青岛高晓专利事务所 。

2、37104 代理人 黄晓敏 (54) 发明名称 一种环状结构微纳米纤维的制备方法 (57) 摘要 本发明属于微纳米纤维制备技术领域， 涉及 一种环状结构微纳米纤维的制备方法， 先配制静 电纺丝溶液， 再将配制好的静电纺丝溶液装入纺 丝溶液容器中， 调节面积可调的金属收集装置的 面积为 9-15 平方毫米， 纺丝喷头与玻璃片的距离 为 5-20 厘米 ； 然后打开高压静电发生器， 调节电 压为 10-40 千伏， 静电纺丝 10-30 秒后关闭高压 静电发生器， 即制备得到环状结构的微纳米纤维 ； 其制备工艺简单， 使用的装置结构简单， 制备过程 中电场分布集中， 电荷不易流失， 内部排斥持续作。

3、 用， 制备的环状结构微纳米纤维对拓展电纺纤维 的应用范围起到积极的推动作用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104233488 A CN 104233488 A 1/1 页 2 1. 一种环状结构微纳米纤维的制备方法， 其特征在于采用改进的静电纺丝装置制备环 状微纳米纤维， 其具体制备工艺为 ： (1)、 配制静电纺丝溶液 ： 将聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮、 硝酸铈或硝酸镧、 去离子水置 于锥形瓶中密封， 在 60-70水浴加热。

4、下磁力搅拌 1.5-3 小时， 然后静置 30-90 分钟， 得到 均匀透明的静电纺丝溶液， 其中聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮的重量百分比为 10 12wt， 硝酸铈或者硝酸镧的重量百分比为 1.5 2.5wt， 去离子水的重量百分比为 88.5 85.5wt ； (2)、 制备环状结构微纳米纤维 ： 先将改进的静电纺丝装置的高压静电发生器正极与纺 丝喷头连接， 负极与面积可调的金属收集装置连接， 再将步骤 (1) 配制好的静电纺丝溶液 装入纺丝溶液容器中， 调节面积可调的金属收集装置的面积为 9-15 平方毫米， 纺丝喷头与 玻璃片的距离为 5-20 厘米 ； 然后打开高压静电发生器， 调节电压。

5、为 10-40 千伏， 静电纺丝 10-30 秒后关闭高压静电发生器， 即制备得到环状结构的微纳米纤维。 2. 根据权利要求 1 所述改进的静电纺丝装置包括纺丝溶液容器、 纺丝喷头、 高压静电 发生器、 面积可调的金属收集装置和玻璃片 ； 纺丝溶液容器的下端链接制有纺丝喷头， 纺丝 喷头下方 5-20 厘米处设置有玻璃片， 玻璃片放置在面积可调的金属收集装置 ； 高压静电发 生器的正极与纺丝喷头连接， 负极与面积可调的金属收集装置连接 ； 使用时， 调节面积可调 的金属收集装置的面积大小， 当在纺丝喷头和面积可调的金属收集装置之间施加 10 40 千伏电压时， 在电场力作用下喷出形成射流 ； 。

6、带电射流在电场中加速、 拉伸， 拉伸过程中， 射流内部由于带有同种电荷产生排斥力致使部分射流在下落过程中发生分裂， 电场分布集 中， 电荷不易流失， 内部排斥持续作用， 最终形成环状结构的微纳米纤维。 权 利 要 求 书 CN 104233488 A 2 1/3 页 3 一种环状结构微纳米纤维的制备方法 技术领域 ： 0001 本发明属于微纳米纤维制备技术领域， 涉及一种环状结构微纳米纤维的制备方 法， 特别是一种采用静电纺丝技术制备环状结构微纳米纤维的方法。 背景技术 ： 0002 随着纳米技术的升温， 静电纺丝技术作为一种可连续制备直径小至几纳米超细纤 维， 且简单、 高效、 通用的方法，。

7、 近几年受到研究者们的广泛关注。实施静电纺丝技术需要 包括高压电源、 喷丝头和接收装置等 ； 纺丝液在自身重力、 粘滞力、 表面张力、 内部电荷排 斥力以及外部电场力的作用下首先形成泰勒锥， 当高压电源电压超过某一临界值时， 电场 力克服表面张力、 粘滞力， 形成一股喷射细流， 在喷射过程中， 溶剂逐渐蒸发， 最终落在收集 装置上形成连续的微纳米纤维。静电纺丝技术应用广泛， 目前已有数十种聚合物通过静电 纺丝成功制得超细纤维 ； 为了进一步提高纤维的性能并拓展应用范围， 包括多孔纤维 ( 中 国专利申请号 :201320746536.9)、 同轴纤维 ( 中国专利申请号 :2011102697。

8、57.7)、 有序排 列 ( 中国专利申请号 :201010184068.1)、 绞线结构 ( 中国专利申请号 :201110137420.0)、 扭曲螺旋 ( 中国专利申请号 :200910015354.2)、 珠串以及三维立体 ( 中国专利申请 号 :201110397680.1) 等特殊结构的纤维也相继被制备得到。但目前为止， 关于利用静电纺 丝技术制备环状结构微纳米纤维并对其形成机理进行系统分析的技术尚未见诸报道。因 此， 设计一种环状结构微纳米纤维的制备方法， 利用静电纺丝技术制备环状结构微纳米纤 维， 对拓展电纺纤维的应用范围 ( 例如可拉伸柔性电子器件、 研究物理学中的 AB 效。

9、应及器 件等 ) 起到积极的推动作用， 也是对静电纺丝机理的有益补充。 发明内容 ： 0003 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点， 寻求设计提供一种环状结构微纳米 纤维的制备方法， 利用一种改进的静电纺丝装置制备环状结构微纳米纤维， 并对其形成机 理进行分析研究。 0004 为了实现上述目的， 本发明采用改进的静电纺丝装置制备环状微纳米纤维， 其具 体制备工艺为 ： 0005 (1)、 配制静电纺丝溶液 ： 将聚乙烯醇 PVA 或聚乙烯吡咯烷酮 PVP、 硝酸铈或硝酸 镧、 去离子水置于锥形瓶中密封， 在 60-70水浴加热下磁力搅拌 1.5-3 小时， 然后静置 30-90 分钟， 得。

10、到均匀透明的静电纺丝溶液， 其中聚乙烯醇 PVA 或聚乙烯吡咯烷酮 PVP 的重 量百分比为 10 12wt， 硝酸铈或者硝酸镧的重量百分比为 1.5 2.5wt， 去离子水的 重量百分比为 88.5 85.5wt ； 0006 (2)、 制备环状结构微纳米纤维 ： 先将改进的静电纺丝装置的高压静电发生器正极 与纺丝喷头连接， 负极与面积可调的金属收集装置连接， 再将步骤 (1) 配制好的静电纺丝 溶液装入纺丝溶液容器中， 调节面积可调的金属收集装置的面积为 9-15 平方毫米， 纺丝喷 头与玻璃片的距离为5-20厘米 ； 然后打开高压静电发生器， 调节电压为10-40千伏， 静电纺 说 明 。

11、书 CN 104233488 A 3 2/3 页 4 丝 10-30 秒后关闭高压静电发生器， 即制备得到环状结构的微纳米纤维。 0007 本发明所述改进的静电纺丝装置包括纺丝溶液容器、 纺丝喷头、 高压静电发生器、 面积可调的金属收集装置和玻璃片 ； 纺丝溶液容器的下端链接制有纺丝喷头， 纺丝喷头下 方 5-20 厘米处设置有玻璃片， 玻璃片放置在面积可调的金属收集装置 ； 高压静电发生器的 正极与纺丝喷头连接， 负极与面积可调的金属收集装置连接 ； 使用时， 调节面积可调的金属 收集装置的面积大小， 当在纺丝喷头和面积可调的金属收集装置之间施加 10 40 千伏电 压时， 在电场力作用下喷。

12、出形成射流 ； 带电射流在电场中加速、 拉伸， 拉伸过程中， 射流内部 由于带有同种电荷产生排斥力致使部分射流在下落过程中发生分裂， 电场分布集中， 电荷 不易流失， 内部排斥持续作用， 最终形成环状结构的微纳米纤维。 0008 本发明与现有技术相比， 其制备工艺简单， 使用的装置结构简单， 制备过程中电场 分布集中， 电荷不易流失， 内部排斥持续作用， 制备的环状结构微纳米纤维对拓展电纺纤维 的应用范围起到积极的推动作用。 附图说明 ： 0009 图 1 为本发明实施例制备的硝酸铈 / 聚乙烯醇 PVA 复合微纳米纤维的光学显微镜 图片， 其中 (a) 放大 500 倍情况下观察到的环状结构。

13、光学显微镜图片， (b)、 (c)、 (d) 为放大 1000 倍情况下观察到的环状结构光学显微镜图片。 0010 图 2 为本发明所述改进的静电纺丝装置的主体结构原理示意图。 具体实施方式 ： 0011 下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。 0012 实施例 ： 0013 本实施例制备环状结构微纳米纤维的具体过程为 ： 0014 (1)、 配制静电纺丝溶液 ： 按重量百分比为 10 12wt聚乙烯醇 PVA、 1.5 2.5wt的硝酸铈、 88.5 85.5wt去离子水配制纺丝溶液， 将三者按上述比例置于锥形 瓶中密封， 64 摄氏度水浴加热下磁力搅拌 2 小时， 然后静置 1 小。

14、时， 得到均匀透明的硝酸铈 / 聚乙烯醇静电纺丝溶液 ； 0015 (2)、 制备不同电压下的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维 ： 将纺丝喷头 2 接高压静电 发生器 3 的正极， 面积可调的金属收集装置 4 接高压静电发生器 3 的负极， 将配好的硝酸铈 /聚乙烯醇静电纺丝溶液装于纺丝溶液容器1中 ； 固定纺丝喷头2与载玻片5之间的距离为 15 厘米， 打开高压静电发生器 3， 快速升压至 15 千伏进行静电纺丝， 计时 20 秒后降压， 然后 关闭高压静电发生器 3， 即制备得到电压为 15 千伏时的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维 ； 重 复上述过程将电压分别快速升至20千伏、 25千伏、 。

15、30千伏、 35千伏进行静电纺丝， 制备得到 不同电压下的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维 ； 0016 (3)、 制备不同纺丝距离下的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维 ： 将纺丝喷头 2 接高压 静电发生器 3 的正极， 面积可调的金属收集装置 4 接高压静电发生器 3 的负极， 将配好的静 电纺丝溶液装于纺丝溶液容器 1 中 ； 固定纺丝喷头 1 与玻璃片 5 之间的距离为 5 厘米， 打开 高压静电发生器 3， 快速升压至 20 千伏 ( 或者 25 千伏、 30 千伏、 35 千伏、 40 千伏 ) 进行静 电纺丝， 计时 20 秒后降压， 然后关闭高压静电发生器 3 ； 再重复上述过程，。

16、 将纺丝喷头 1 与 说 明 书 CN 104233488 A 4 3/3 页 5 玻璃片 5 之间的距离分别固定为 7、 9、 11、 13、 15、 17 厘米进行静电纺丝， 制备得到不同纺丝 距离下的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维。 0017 本实施例制备的硝酸铈 / 聚乙烯醇微纳米纤维的光学显微镜图片如图 1 所示， 从 图中可以看出， 形成的环状结构是由一根纤维内部劈裂而成， 而不是两根或多根纤维并排 在一起形成。 0018 本实施例的实验结果表明， 在不同电压 (15 千伏、 20 千伏、 25 千伏、 30 千伏、 35 千 伏、 40 千伏 ) 下进行静电纺丝， 均可以制备环状结构微纳米纤维， 随着电压的升高， 环状结 构数量明显增加， 并且在实验过程中观察到了一些较大的圆环 ( 几十微米 )， 说明电压增 高， 射流带的电荷数量增加， 排斥力增强， 有利于射流在下落过程中的分裂 ； 在较小纺丝距 离下很难生成环状结构， 纺丝距离设置为 10 至 15 厘米更容易制备环状结构纤维 ； 此外， 减 小金属头收集极 4 的面积 ( 例如减小到 9 15 平方毫米 ) 也有利于环状结构微纳米纤维 的制备。 说 明 书 CN 104233488 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104233488 A 6 。