[发明专利]一种控制二维和三维结构纳米纤维组装的静电纺丝方法

说明书

技术领域：

本发明属于静电纺丝技术制备微纳米纤维领域，涉及一种静电纺丝自组装三维堆垛结构纤维、以及对静电纺丝纤维的宏观结构(例如二维薄膜和三维堆垛)实现自由控制的技术工艺，特别是一种控制二维和三维结构纳米纤维组装的静电纺丝方法。

背景技术：

静电纺丝技术是一种高效低耗制备微纳米纤维的方法。相比于其它方法，静电纺丝法装置简单、操作灵活，适用于大部分聚合物的连续电纺。传统的静电纺丝装置包括三个部分：高压电源、装有纺丝溶液的纤维发射装置和纤维收集装置；一般情况下，高压电源正极接在纤维发射装置上，负极接在纤维收集装置(例如铝箔)上并接地，在纤维发射装置和收集装置之间形成一个高压电场，工作电压大约在5-30千伏之间，纺丝喷头与收集装置之间的距离一般为8-20厘米；实验时，将纺丝溶液加到纤维发射装置中，加上高电压，纺丝溶液在发射装置的尖端形成泰勒锥，在电场力作用下，从泰勒锥喷射出来的射流发生拉伸或劈裂细化，伴随着纺丝过程中溶剂的挥发，纤维进一步固化，沉积到收集装置上。通常情况下，由于收集装置接地，纤维上的正电荷被导走，纤维会平铺在收集装置上形成无序的二维薄膜结构。随着科技发展，现有的静电纺丝制备二维纤维薄膜的技术已经比较成熟，但静电纺丝制备三维堆垛结构纳米纤维的报道尚未多见，电纺三维结构纳米纤维在生物支架、组织工程、电池电极和太阳能电池等领域都有广泛的应用前景。根据文献调研，目前采用静电纺丝法制备三维结构纳米纤维方法主要存在于以下几种：一是增加电纺时间，从而增加纺丝膜的厚度，得到三维结构纤维膜，但这种方法操作时间往往很长(例如数十小时)，且纤维膜厚度只能达到几个毫米；二是将已制备好的二维纤维膜从收集极上取下，通过人工折叠等方式来得到三维结构纤维(Energy Environmental Science 2011，4：2807)；三是将三维收集装置取代二维收集装置(Journal of Power Sources 2007，164：874；Nano Letters 2008，8：3283；International Journal of Biological Macromolecules 2009，45：504)；此外，通过在溶液中添加发泡剂(Biomaterials 2006，27：3782；Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials 2007，81B(1)：104)等方式也有报道，但是，上述方法普遍存在操作较复杂、成本较高等不足，对于静电纺丝自组装三维结构纳米纤维及其形成机理、以及能否自由控制生成二维或三维结构电纺纤维等问题，国内外均鲜有报道。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，在静电纺丝法的原理和现有技术的基础上，寻求一种利用静电纺丝技术自组装制备三维结构纳米纤维、并实现二维与三维结构微纳米纤维的自由转换的方法。利用静电纺丝技术低成本、大规模自组装三维堆垛结构纳米纤维、以及对静电纺丝纤维的宏观结构(例如二维薄膜和三维堆垛)实现自由控制。

为了实现上述目的，本发明包括自组装三维结构纳米纤维、三维堆垛到二维薄膜的转变和二维堆垛到三维薄膜的转变三个工艺步骤：

(1)自组装三维结构纳米纤维：利用现有的静电纺丝装置，将高压直流电源的正极接到纺丝针头上，纤维收集装置为接地铝箔，在静电场作用下，带正电荷的纺丝溶液从纺丝针头喷射出来，产生拉伸或劈裂细化，形成微纳米纤维落到接地铝箔上；由于铝箔接地，纤维上的正电荷被导走，在铝箔上得到无序的纳米纤维薄膜，通过控制纺液黏度、溶剂的挥发性和空气相对湿度，电纺纤维20-40分钟时间内在铝箔上自组装形成大尺寸的三维堆垛结构，其高度为10厘米；其三维堆垛结构顶部的纤维带负电荷，原因是被强电场极化而成；三维堆垛结构的形成机理和过程如下：静电纺丝开始后，少量电纺纤维由于在空气中迅速固化，具有力学强度，然后沉积在接地铝箔向上形成的电纺纤维小突起；由于强静电场中静电感应和极化作用的共同影响，使得电纺纤维小突起的顶端纤维带有负电荷，导致在纺丝针头和电纺纤维小突起之间形成一个电场作用更强的尖端-尖端的电场；随着静电纺丝的进行，带正电荷的射流纤维不断地沉积到电纺纤维小突起上，使得在电纺纤维小突起迅速累积，不断长高长大，形成三维堆垛结构纳米纤维；