一种用于低电压静电微流纺丝的装置及方法

本发明属于纺丝，具体涉及一种用于低电压静电微流纺丝的装置及方法。

背景技术：

1、魔芋葡甘聚糖(kgm)的凝胶化长期以来在学术研究和工业应用中一直是一个热门话题。kgm加碱成凝胶的本质是乙酰基的去除和氢键作用的增强。

2、目前单一kgm成凝胶的必要条件是当碱存在下加热除去kgm分子链上乙酰基，从而形成不可逆凝胶。碱处理后乙酰基上羰基振动峰明显减弱或消失，去乙酰化的kgm分子通过氢键聚集，形成网络结构并最终导致凝胶形成(kenji maekaji，1973，doi:10.1080/00021369.1973.10861014)。脱乙酰一般都是以碱(氢氧化钠、碳酸钠)作为脱乙酰剂，在固相或非均相条件下将乙酰基脱除(庞杰，cn201710602554.2)。然而，以强碱作为脱乙酰剂会引起其他副反应，反应进程难以控制，kgm加过量碱脱乙酰基后还需要进行脱碱这一步骤，整体操作复杂，并且造成资源浪费和污染。采用电场对kgm进行电处理，在电场作用下，利用电场诱导kgm自组装，为kgm脱乙酰提供一种方便无污染的方法。

3、目前，用于制备纳米纤维的设备主要是静电纺丝和微流控气喷纺丝。很多利用静电纺丝制备基于魔芋葡甘聚糖生产不同功能的产品(郑亚凤，cn106589442a；庞杰，cn108386120a；张冬至，cn115266912a)，静电纺丝是通过微电脑控制的推流泵自动化推动流体，在针尖的纺丝溶液中施加高压，纺丝溶液在高压的持续作用下从针头喷出在到达接收板之前，喷射的流体的溶剂会迅速挥发或固化，而带电纤维将保留下来，在静电力引导下落到接收板上，然后层层堆叠形成纳米纤维膜(张宏威，cn203247343u)。现有静电纺丝的原理是在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液，喷射器与接收板之间连接正负极，释放高压。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的泰勒锥。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会克服液体的表面张力，从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在纳米级的纤维，并以随机的方式散落在收集装置上，形成无纺布。虽然静电纺丝一定程度上节约了时间，提高了工作效率，但是该方法主要有以下缺点：(1)纺丝液体系必须含有带电材料，限制了中性材料体系的应用；(2)静电纺丝是在高压下进行操作，存在一定的危险性。

4、微流控气喷纺丝相较于静电纺丝安全性更高、纺丝原料选择范围广，连续式气喷纺丝装置，纤维丝不会被冷却气体造成相互缠结，提高纤维丝生产效率(王少勇，cn117005046a)，气喷纺丝利用微流体技术(如微流泵、微流芯片)形成的微通道，通过控制气泵的气压大小，调控接收装置与喷头之间的距离制备出尺寸可控的纳米纤维。然而气喷纺丝依然存在不足，例如，纺丝液必须是易固化、易挥发体系，限制了部分的难挥发的溶胶体系的应用；气喷纺丝的装置设备仍然比较复杂，且价格昂贵；纺丝过程中还会有纺丝纤维飞出，造成资源浪费。

5、为此，本发明提供了一种用于低电压静电微流纺丝的装置及方法。

技术实现思路

1、为了克服以上问题，本发明的目的在于提供一种用于低电压静电微流纺丝的装置及方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于低电压静电微流纺丝的装置，包括：

4、挤出模块，用于容纳纺丝溶液；

5、电压施加模块，用于对挤出模块中的纺丝溶液施加电压，在挤出模块中构建出局域的酸碱度；

6、加热模块，用于对对挤出模块中的纺丝溶液施进行局部加热；

7、微流控模块，用于调节挤出模块中纺丝溶液的挤出速度。

8、作为一种可能的实施方式，进一步，所述挤出模块选用注射器，注射器中容纳有纺丝溶液，所述纺丝溶液为对酸碱度、温度、流场力敏感的溶胶凝胶转变材料体系。

9、作为一种可能的实施方式，进一步，所述电压施加模块包含一直流电源与两电极，其中一电极插入注射器的容腔内，另一电极连接于注射器的针尖处，两电极分别连接直流电源的正负极；注射器容腔内的电极与针尖处所连接的电极形成回路。利用电解水的原理，在阴阳两极引起氧化还原反应，与直流电源的负极相连的电极，发生还原反应，阴极周围的水得电子而产生氢气和oh-，从而阴极周围呈碱性，电压的正极周围区域呈酸性，可根据材料本身成凝胶所需要的酸碱度来选择电源正负极连接的位置。

10、作为一种可能的实施方式，进一步，所述加热模块包含加热电阻与温度调节器，所述加热电阻缠绕于注射器的针尖处，所述温度调节器与加热电阻电性连接，用于调节加热电阻的加热温度。

11、作为一种可能的实施方式，进一步，所述微流控模块选用丝杠推顶装置，注射器安装于丝杠推顶装置上；通过丝杠推顶装置进行注射器推进速度的调节。通过调节注射器推进速度，微流场提供流速分布调控了高分子的定向化，有利于提高纤维的强度。

12、本发明还提供一种低电压静电微流纺丝方法，所述低电压静电微流纺丝方法应用上述用于低电压静电微流纺丝的装置；

13、所述低电压静电微流纺丝方法，包括：

14、在注射器中加入魔芋葡甘聚糖材料体系，并将插入注射器容腔内的电极连接直流电源的正极，注射器针尖处所连接的电极连接直流电源的负极，使针尖电极棒周围形成oh-离子富集区；阴极在针尖位置可使魔芋葡甘聚糖(kgm)脱乙酰基在小范围内实现，并且凝胶化后直接从针尖处形成凝胶纤维丝。

15、通过加热模块对针尖处进行局部加热；在高温条件下，魔芋葡甘聚糖(kgm)脱乙酰后形成热不可逆凝胶，局部加热在实现魔芋葡甘聚糖(kgm)脱乙酰基的同时避免资源浪费。接着并通过微流控模块推进将注射器中的材料挤出形成凝胶丝。其中，通过加热模块和电压模块实现注射器针管出口处的oh-离子富集和高温，进而诱导溶液中的kgm分子脱去乙酰基官能团从而形成凝胶；通过微流控模块调节注射器推进速度，微流场提供流速分布调控了高分子的定向化，有利于提高纤维的强度。

16、作为一种可能的实施方式，进一步，所述魔芋葡甘聚糖材料体系包含魔芋葡甘聚糖(kgm)与电解质溶液，其中，电解质为可用于电解水的盐类。电解质溶液在阴阳两极引起氧化还原反应，与直流电源的负极相连的电极，发生还原反应，阴极周围的水得电子而产生氢气和oh-，从而阴极周围呈碱性，电压的正极周围区域呈酸性。

17、作为一种较优的实施方式，优选的，所述魔芋葡甘聚糖材料体系包含0.5-1.0g/ml的魔芋葡甘聚糖和0.5-1.0％ nacl的水溶液。魔芋葡甘聚糖材料体系中还可添加功能性的低维材料或者颗粒(例如：壳聚糖、卡拉胶、海藻酸钠、明胶、黄原胶、纤维素纳米纤维等材料)，以实现功能化纺丝。

18、作为一种较优的实施方式，优选的，所述直流电源设置的电压为12-20v；针尖处的加热温度为80-90℃；注射器的推进速度为150-250ul/min。

19、作为一种较优的实施方式，优选的，形成的凝胶丝通过收卷模块(收卷模块选用电动卷收器)进行牵引拉伸，拉丝速度为0.5-1.0cm/s。

20、现有静电纺丝原理是将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏的高压静电，在电场的作用下，针头处的液滴会由球形变为泰勒锥，并从圆锥尖端延伸得到纤维细丝。本发明提供了一种低电压、环保、操作简单的静电微流纺丝装置及方法，利用电解水的原理，将正极棒插入纺丝液中，与针尖处的负极棒形成电回路，利用电源的正负极产生不同区域的酸碱度的分布，将对酸碱度和流场力敏感的溶胶凝胶转变体系通过该装置形成凝胶纤维丝。

21、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

22、与现有的传统kgm丝制备方法、高压静电纺丝方法、电场制备凝胶等相比，本发明不需要kgm溶胶整体加碱以及后续的脱碱、所需电压较低、且能够直接制备均匀纤维丝，并且纺丝溶液体系可以是对于酸碱度、电场、流速、温度敏感的材料，也可以是包含kgm的混合的高分子溶液，甚至在魔芋葡甘聚糖(kgm)溶液在体系中添加功能性的低维材料或者颗粒由此实现功能化纺丝。因此该发明具有操作安全、方法简单、节约资源、材料体系更广泛等优点。