一種靜電紡絲噴頭的製作方法
2023-12-09 17:21:51 1
本發明涉及一種靜電紡絲噴頭，從使用上講，是一種基於靜電紡絲法得到複合纖維用的靜電紡絲噴頭。
背景技術：
基於靜電紡絲法得到的納米纖維因直徑小、比表面積大、製備簡單、成本低廉以及工藝可控等優點而成為研究熱點。目前來說，如何製備需要的高性能、多功能的複合納米纖維是所研究的關鍵。同軸靜電紡絲法是在靜電紡絲的基礎上改進裝置發展而來的一種工藝，可用來製備特殊功能結構的纖維材料，它的出現彌補了普通靜電紡絲法在製備非常規結構纖維時所存在的缺陷。但是，由於同軸靜電紡絲的噴頭，以及操作工藝及其嚴格，不容易控制生成雙層或複合的纖維，特別是內針頭管道伸出外針頭管道的距離是影響同軸噴射流形成的關鍵性因素：距離太小時，內管道溶液容易被外層管道的溶液堵住，內針頭溶液沒辦法順利流出，此時在電場力作用下內層溶液得不到拉伸，僅有外層溶液形成射流。距離太大時，溶液沿內管壁的外表面流出，無法將內針頭伸出部分完全包覆，進而導致許多溶液從針頭四周射出，無法得到穩定的同軸噴射流。
因此，解決上述問題，需要設計一種精準、易加工的同軸靜電紡絲噴頭，能夠製備核-芯結構、中空結構及多級結構的纖維材料提供技術的支撐，進而拓寬納米纖維的應用領域。
技術實現要素：
本發明的技術方案為：一種靜電紡絲噴頭，由主管和四個輔助管組成，其特徵在於：主管的端頭由呈尖錐形的封閉尖頭封閉，在距離封閉尖頭底邊H3尺寸的地方，加工有一個下均液環，在距離下均液環H2尺寸的地方，加工有一個中均液環，在距離中均液環H1尺寸的地方，加工有一個上均液環。均液環的設計在於將上述出口的不同溶液很好地均勻塗覆在主管圓周壁上，避免出現線流而導致各種溶液混合不均勻。在距離上均液環h1尺寸的地方，加工安裝有4個內外徑尺寸一致、十字排布的、開口平齊在一條開口線上的輔助管。輔助管通過連接點與主管相連。連接點是耐高溫粘結點，或是釺焊等的焊接點。輔助管的設計在於避免了原同軸靜電紡絲噴頭的內外噴頭針，在紡絲過程中，由於內外針頭間距、長度等參數設置不好，而造成的其內針與外針不同組分溶液的混合不均的難題。在下均液環、中均液環和上均液環之間加工有垂直主管軸向，橫向貫通主管內徑的，相互十字對稱排布的貫通口：上貫通出口和下貫通出口。2個上貫通出口和2個下貫通出口共4個出口，與4個輔助管分別一一對應在一條豎直線上。設計便於輔助管流出的液體正對著出口，以利於混合或包覆。主管的橫向開口的設計，改變了原同軸噴頭內外管開口都一致，容易導致各個組分來不及相互混勻或內外包覆不好的問題。相互十字對稱排布的貫通口設計，避免溶液在一個方向上堆積，易於溶液鋪展。在上均液環的表面和到輔助管開口平齊線以上的主管表面，加工成與輔助管內流通的溶液相浸潤的輔液處理表面。這是本發明其中一個創新點，目的在於將輔助管流出的溶液快速地鋪滿主管表面，為下一步均勻包覆主管出口流出的另外一種溶液，或均勻混合主管出口流出的另外一種溶液做準備。上均液環以下的主管表面、下均液環和中均液環表面，一直到封閉尖頭表面，均加工有與主管內流通的溶液相浸潤的主液處理表面。設計的目的在於，將主管流出的溶液快速地鋪滿主管表面，為下一步被輔助管流出的溶液均勻包覆；或者，與輔助管流出的溶液均勻混合做準備。
上述技術方案中，所述上貫通出口的開口直徑ϕ上與下貫通出口的開口直徑ϕ下，之間尺寸關係是ϕ上=1.5ϕ下 。設計目的是為了保證主管的上貫通出口與下貫通出口的溶液，在計算的合理管徑和流速下，上下兩層出口的溶液，能夠迅速匯合，均勻鋪展在主管表面。所述上貫通出口與上均液環的距離h2 =3ϕ上，上貫通出口與中均液環的距離h3≥2ϕ上；下貫通出口與中均液環的距離h2 ≥2ϕ下，下貫通出口與下均液環的距離h3≥3ϕ下。設計目的同樣是為了保證主管的上貫通出口與下貫通出口的溶液，能夠均勻鋪展在主管表面，同時與被輔助管流出的溶液均勻包覆；或者，與輔助管流出的溶液均勻混合做準備。
上述技術方案中，所述上均液環與中均液環之間的距離H1≥5 ϕ上 ，中均液環與下均液環之間的距離H2≥5 ϕ下 ，下均液環到封閉尖頭底邊的距離H3 =2/3（H1+ H2），封閉尖頭的尖角角度α≤60°。距離和角度的限定了實驗最優參數的選擇，目的是保證輔助管流出的溶液和主管流出的另外一種溶液，有足夠的流程混合或包覆。在高壓靜電拉伸時，保證已經是一體的。所述主管的外徑ϕ b 小於三個均液環的直徑ϕ a，ϕ a - ϕ b=1mm-2mm，保證了均液環起到滯留和環上溶液水平均勻的目的。
上述技術方案中，所述輔助管開口的直徑ϕ0與下貫通出口的開口直徑ϕ下相同，即ϕ0 = ϕ下；輔助管開口的平齊線到上均液環的距離h1 =5 ϕ0。此設計，達到4個輔助管的溶液能夠均勻混合，在相同參數設置下其流速與主管的溶液的流速基本相同，簡化了操作的參數設定，統一設置參數即可。所述，輔液處理表面和主液處理表面同是親水的表面，或同是疏水的表面，或者一個是親水表面、一個是疏水表面。
上述技術條件設計，是本發明能夠依據不同的實驗，製備不同的複合靜電紡絲纖維。如果，輔助管的溶液和主管的溶液均是一樣的親水或疏水，能夠使用本發明。兩者溶液揮發速率相似，能夠容易形成混合複合纖維，如兩者溶液揮發速率有差別，能夠容易形成核-殼層狀結構的複合纖維。如果輔助管的溶液是親水，另一個主管的溶液是疏水，本發明也能夠使用。或者，主管的溶液是親水，輔助管的溶液是疏水，本發明也能夠使用。也能夠容易形成核-殼層狀結構的複合纖維。
本發明設計的同軸靜電紡絲噴頭與現有的常規同軸靜電紡絲相比，本發明有下列有益效果。
（1）因為在高壓靜電紡絲前幾種原料溶液已經混合為一體，在操作參數的設定過程中，能夠依照單針管噴頭進行操作，只需在本發明噴頭的封閉尖頭處形成複合泰勒錐，繼而從泰勒錐體拉伸出由殼層包覆核層的同軸殼-芯複合結構的纖維。操作工藝簡單。
（2）同時，能夠實現兩種以上不同組分的溶液的混合靜電紡絲，為加工核-殼結構、中空結構、多孔結構的功能化纖維材料提供很大的便利。
（3）本發明能夠廣泛應用於藥物緩釋、組織工程以及藥物載體等領域。
附圖說明
圖1為本發明的主視結構示意圖。
圖2為本發明的主視結構尺寸標註示意圖。
圖3為本發明的主視圖的仰視示意圖。
其中：1.主管；2.下均液環；3.中均液環；4.上均液環；5.輔助管；6.連接點；7.輔液處理表面；8.上貫通出口；9.下貫通出口；10.主液處理表面；11.封閉尖頭。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例進一步對本發明加以說明。
具體實施例一
本發明的一種靜電紡絲噴頭，由主管1和四個輔助管5組成。主管1內徑2mm，主管1外徑ϕ b =4mm，均液環直徑ϕ a = 6mm。上貫通出口8的開口直徑ϕ上=0.9mm，下貫通出口9的開口直徑ϕ下= 0.6mm，輔助管5開口的直徑ϕ0 = 0.6mm。上貫通出口8與上均液環4的距離h2 =2.7mm，上貫通出口8與中均液環3的距離h3 = 2mm。下貫通出口9與中均液環3的距離h2 =1.2mm，下貫通出口9與下均液環2的距離h3 =1.8mm。上均液環4與中均液環3之間的距離H1=5.6mm，中均液環3與下均液環2之間的距離H2 =3.6mm，下均液環2到封閉尖頭11底邊的距離H3 =6.1mm，封閉尖頭11的尖角角度α=60°。輔助管5開口的平齊線到上均液環4的距離h1 =3mm。輔助管5開口的平齊線到上均液環4的距離h1 =3mm。上均液環4以下的主管1表面、下均液環2和中均液環3表面，一直到封閉尖頭11表面，均加工成親水表面。在上均液環4表面和到輔助管開口平齊線以上的主管1表面，加工成疏水表面。
具體實施例二
本發明的一種靜電紡絲噴頭，由主管1和四個輔助管5組成。主管1內徑0.85mm，主管1外徑ϕ b =3mm，均液環直徑ϕ a = 4mm。上貫通出口8的開口直徑ϕ上=0.45mm，下貫通出口9的開口直徑ϕ下= 0.3mm，輔助管5開口的直徑ϕ0 = 0.3mm。上貫通出口8與上均液環4的距離h2 =1.35mm，上貫通出口8與中均液環3的距離h3 =2mm。下貫通出口9與中均液環3的距離h2 =2mm，下貫通出口9與下均液環2的距離h3 =2mm。上均液環4與中均液環3之間的距離H1=3.8mm，中均液環3與下均液環2之間的距離H2 =4.3mm，下均液環2到封閉尖頭11底邊的距離H3 =5.4mm，封閉尖頭11的尖角角度α=15°。輔助管5開口的平齊線到上均液環4的距離h1 =1.5mm。上均液環4以下的主管1表面、下均液環2和中均液環3表面，一直到封閉尖頭11表面，均加工成疏水表面。在上均液環4表面和到輔助管開口平齊線以上的主管1表面，加工成親水表面。