[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

摘要

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，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；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；再经过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实现自由控制；整体工艺过程简单，操作易控，使用设备技术成熟，电纺效果好，效率高，环境友好。

主权项

一种控制二维和三维结构纳米纤维组装的静电纺丝方法，其特征在于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，少量电纺纤维在空气中迅速固化具有力学强度，然后沉积在接地铝箔上形成电纺纤维小突起；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尖端‑尖端电场；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；(2)三维堆垛到二维薄膜的转变：在接地铝箔作为收集极成功自组装得到三维堆垛结构纤维的基础上，不改变纺丝溶液的实验条件，在收集装置接地铝箔上放置一块绝缘塑料平板，此时在绝缘塑料平板上能收集到二维结构的纳米纤维薄膜；绝缘塑料平板部分阻隔静电场，特别是阻断沉积在塑料平板上纳米纤维的正电荷不能从接地铝箔导走，带有正电荷的纤维在库仑斥力作用下相互排斥，不形成自组装的三维结构，于是平铺在绝缘塑料平板上，形成二维薄膜结构的纳米纤维，实现从三维堆垛到二维薄膜结构的可控转变；(3)二维薄膜到三维堆垛的转变：在绝缘塑料平板上收集到二 维纤维薄膜的情况下，将感应起电机负极接到绝缘塑料平板上的纤维薄膜，转动感应起电机，同时继续静电纺丝，在绝缘塑料平板上重新出现自组装的三维堆垛结构，感应起电机负极会不断地提供负电荷来中和掉纤维薄膜上所带地正电荷，将绝缘塑料平板上原先带正电的纳米纤维变成电中性的纳米纤维，多余的负电荷会吸引带正电荷的射流纤维不断地沉积起来，迅速地长高长大，重新自组装形成三维堆垛结构纳米纤维，实现从二维薄膜到三维堆垛结构的可控转变。