一种有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置

1.一种有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置，主体结构包括纺丝溶液容器、经过加工的中空不锈钢针、绝缘旋转盘、金属杆、绝缘支撑体、旋转轴、转速可控的旋转电机、转速控制面板、高压电源或电压控制面板、环形金属收集极、接地、装置电源插头和金属导线；
其特征在于先将带有经过加工的中空不锈钢针的纺丝溶液容器固定在绝缘旋转盘上侧，转速可控的旋转电机的旋转轴通过绝缘支撑体与绝缘旋转盘连在一起并带动其旋转，将经过加工的中空不锈钢针连接高压电源的正极，在绝缘旋转盘的圆心处固定一根与旋转轴共轴的金属杆，将金属杆用金属导线与经过加工的中空不锈钢针相连通；电机的转速控制面板和高压电源或电压控制面板集成到一起；转速控制面板和高压电源或电压控制面板均有各自的电源开关和调节旋钮；高压电源的正极与金属杆相连，负极与环形金属收集极相连并与接地相连接。
2.根据权利要求1所述的有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置，其特征在于制备纳米纤维时，所施加电压为1～6kV，转速可控的旋转电机的转速为2000rpm，经过加工的中空不锈钢针尖端与环形金属收集极的垂直距离为3～10cm，与金属杆的水平距离为8～
20cm；纺丝溶液高速旋转产生的离心力场和高压电场使纺丝溶液从经过加工的中空不锈钢针中流出并形成极化的纤维射流；纺丝溶液高速旋转产生的离心力代替部分电场力，所施加的电压低于传统静电纺丝所需的电压，装有纺丝溶液的纺丝溶液容器和经过加工的中空不锈钢针跟随电机转动，形成的纤维射流在水平方向沿绝缘旋转盘的切线方向运动，在环形金属收集极上收集有序排列的静电纺丝纳米纤维，其排列方向与绝缘旋转盘的切线方向平行。

一种有序排列和交叉结构纳米纤维的制备装置\n技术领域：\n[0001] 本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种制备可用于纳米电子器件和光学器件的有序排列和交叉结构纳米纤维的低压离心静电纺丝装置。\n背景技术：\n[0002] 静电纺丝是一种简便易行、可直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法，其突出的优点是设备和实验成本较低，纤维产率较高，制备出的纤维比表面积较大(纤维直径在几个纳米到几个微米的范围内)，并且适用于许多不同种类的材料，静电纺丝纳米纤维在民用、军事等诸多领域具有广泛的潜在应用。静电纺丝的原理和设备简单，高压电源提供高压，正极接在注射器(纺丝溶液容器)的不锈钢针头上，负极(接地)接在作为收集板的铝箔上。所施加的电压一般在7～30kV之间，针头到收集极的距离(工作距离)一般为\n8～20cm。实验时，将纺丝溶液装入注射器内，并加上高电压；由于高压电场的作用，纺液在针头处形成“泰勒锥”，当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”纺液形成被极化的纤维射流，朝收集板的方向快速移动，在高压电场中，纤维射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维。\n[0003] 现有的静电纺丝得到的纳米纤维是以无纺布形式存在的，纤维排列十分凌乱，这给一些实际应用带来了不小的困难。近年来，很多科研人员致力于改进传统静电纺丝装置以制备有序排列结构的纳米纤维；圆筒(滚筒)收集、狭缝收集、辅助外电场或磁场收集、框架收集等不同方法和技术被陆续提出和报道，如，中国专利申请的“静电纺丝装置”(申请号：200720067712.0)和“静电纺丝仪”(申请号：200610125960.6)采用了圆筒收集，是目前比较常用的制备有序排列纳米纤维的收集方法；Tan等(Chinese Physics Letters，\n2008，25(8)，3067-3070)采用狭缝式收集和台阶式收集得到了有序排列的电纺纤维；Yang等(Advanced Materials，2007，19，3702-3706)则公开了一种磁场静电纺丝技术来使纳米纤维有序排列。然而，已报道的这些方法共同缺点是纤维的有序度不够高，或者是实验条件比较苛刻，其所施加的工作电压比较高。\n[0004] 目前，离心技术在实验中也经常被用到，例如，spin-coating就是利用离心力来制备均匀薄膜的一种技术(或设备)，目前已被实验室广泛使用；还有一种比较常见的离心设备就是在生物、医药、化学等领域广泛应用的离心机，其工作原理就是利用离心力将溶液中的某些成分分离出来；中国专利申请的“熔体和溶液离心纺丝制备非织造物的装置”(申请号：200710306660.2)就是利用离心力来制备聚合物纤维，其制备的纤维直径比较大且分布范围较广，直径一般在10m以上。据检索，目前将静电纺丝技术与离心纺丝技术结合起来的技术方法和设备尚未见成熟之报道，寻求一种低压离心静电纺丝技术，采用电压较低，能制备有序排列和交叉结构的纳米纤维，并进而制备纳米电子器件和光学器件的技术方法和设备装置具有重要的科学意义和广泛的应用前景。\n发明内容：\n[0005] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计制备一种采用低压离心静电纺丝技术实现制备有序排列和交叉结构纳米纤维的装置。\n[0006] 为了实现上述发明目的，本发明设计的制备有序排列微纳米纤维的低压离心静电纺丝装置主体结构包括纺丝溶液容器(注射器)、经过加工的中空不锈钢针、绝缘旋转盘、金属杆、绝缘支撑体、旋转轴、转速可控的旋转电机、转速控制面板、高压电源或电压控制面板、环形金属收集极、接地、装置电源插头和金属导线；先将带有经过加工的中空不锈钢针的纺丝溶液容器(注射器)固定在绝缘旋转盘上侧，转速可控的旋转电机的旋转轴通过绝缘支撑体与绝缘旋转盘连在一起并带动其旋转，为了便于将经过加工的中空不锈钢针连接高压电源的正极，在绝缘旋转盘的圆心处固定一根与旋转轴共轴的金属杆，将金属杆用金属导线与经过加工的中空不锈钢针相连通；电机的转速控制面板和高压电源或电压控制面板集成到一起；转速控制面板和高压电源或电压控制面板均有各自的电源开关和调节旋钮，以控制实验参数；高压电源的正极与金属杆相连，负极与环形金属收集极相连并与接地相连接。\n[0007] 本发明制备纳米纤维时，所施加电压为1～6kV，转速为500～3000rpm，经过加工的中空不锈钢针尖端与环形金属收集极的垂直距离为3～10cm，与金属杆的水平距离为\n8～20cm；高速旋转产生的离心力场和高压电场使纺丝溶液从经过加工的中空不锈钢针中流出并形成极化的纤维射流；高速旋转产生的离心力代替部分电场力，所施加的电压低于传统静电纺丝所需的电压，装有纺丝溶液的纺丝溶液容器(注射器)和经过加工的中空不锈钢针跟随电机转动，形成的纤维射流在水平方向沿绝缘旋转盘的切线方向运动，最终在环形金属收集极上收集到了有序排列的静电纺丝纳米纤维，其排列方向与绝缘旋转盘的切线方向平行。\n[0008] 本发明制备交叉结构电纺纳米纤维时将硅片放在环形金属收集极上收集纺丝纤维，在第一次纺丝完成后将其水平旋转90度(或其它角度)再进行纺丝，将得到十字交叉的方形纤维网格阵列，再选择合适的材料，将得到的纤维网格阵列进行处理，让复合纳米纤维变成半导体纳米纤维，形成纳米电子器件；经过处理后第一层为n型的Si纳米纤维，第二层为p型的Si纳米纤维，组成纳米级别的p-n节，供制备纳米电子器件应用。\n[0009] 本发明与现有技术和设备相比具有以下优点：一是电压仅为1～4kV，降低约一个数量级，实验操作安全性好；二是制备的纳米纺丝纤维的有序度，明显高于已有的圆筒式收集等收集方式；三是制备的纳米纺丝纤维直径小且均匀；四是制备纳米电子器件和光学器件的应用前景好；五是装置结构简单，避免了磁电纺等技术对实验条件的苛刻要求；六是用浓度较大的纺丝溶液得到形貌良好的纳米纤维；七是收集方便，采用了经过加工的中空不锈钢针的设计，纺丝的方向向下，可用环形金属收集极在水平面上收集纤维。\n附图说明：\n[0010] 图1为本发明装置的总体结构原理示意图，其中包括：纺丝溶液容器(经过改装的注射器)1；经过加工的中空不锈钢针2；绝缘旋转盘3，可以在不同位置固定纺丝溶液容器；\n金属杆4；绝缘支撑体5；旋转轴6；转速可控的旋转电机7；转速控制面板8，包括电源开关和转速调节旋钮；高压电源或电压控制面板9，包括电源开关和电压调节旋钮；环形金属收集极10，高度连续可调；接地11和装置电源插头12。\n[0011] 图2为本发明装置的结构原理示意俯视图，其中包括金属导线13，将经过加工的中空不锈钢针2连到金属杆4上从而便于施加高压；图中虚线为环形金属收集极10的内部边缘，虚线圆环以内为空。\n具体实施方式：\n[0012] 下面通过实施例并结合附图做进一步说明。\n[0013] 本实施例先将带有经过加工的中空不锈钢针2的纺丝溶液容器1(注射器)固定在绝缘旋转盘3上，转速可控的旋转电机7的旋转轴6通过绝缘支撑体5与绝缘旋转盘3连在一起并带动其旋转，为了便于将经过加工的中空不锈钢针2连接高压电源的正极，在绝缘旋转盘3的圆心处固定一根与旋转轴6共轴的金属杆4，并将其用金属导线13与经过加工的中空不锈钢针2相连；电机转速控制面板8和高压电源9被集成到一起：转速控制面板8和高压电源或电压控制面板9均有各自的电源开关和调节旋钮，以控制实验参数；高压电源9的正极与金属杆4相连，负极与环形金属收集极10相连并与接地11相连接。\n[0014] 实施例：制备有序排列的电纺纤维\n[0015] 本实施例所选取的纺丝溶液为质量百分比为18wt％的聚苯乙烯(PS)溶液，先将\n1.8g PS(分子量为250000)颗粒在磁力搅拌下缓慢加入8.2g四氢呋喃(THF)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液中(THF与DMF的质量比为1∶1)，室温下磁力搅拌4h，然后静置0.5h，即可得均匀透明的18wt％的PS静电纺丝前躯体溶液；再将高压电源的正极接金属杆4，负极接环形金属收集极10并接地11；调节纺丝溶液容器1(注射器)在绝缘旋转盘\n3上的位置，使经过加工的中空不锈钢针2尖端与金属杆4的水平距离为15cm；调节经过加工的中空不锈钢针2尖端与环形金属收集极10的垂直距离为6cm；将纺丝溶液注入纺丝溶液容器1(注射器)中；然后将装置电源插头12插在日用220V电源上，调节高压电源或电压控制面板9的电压调节旋钮，设定电压为2.5kV，并按下电源开关，使之处于“ON”状态，此时经过加工的中空不锈钢针2被加上高压，从而极化纺丝溶液；调节转速控制面板8上的转速调节旋钮，设定转速为2000rpm，并按下电源开关，使之处于“ON”状态，此时转速可控的旋转电机7带着绝缘旋转盘3和纺丝溶液容器1(注射器)开始转动；高速旋转产生的离心力场和高压电场使纺丝溶液从经过加工的中空不锈钢针2中流出并形成极化的纤维射流；\n形成的纤维射流在水平方向沿绝缘旋转盘3的切线方向运动，在环形金属收集极10上收集到了有序排列的静电纺丝纳米纤维，其排列方向与绝缘旋转盘3的切线方向平行；纺丝结束，分别按下转速控制面板8和高压电源或电压控制面板9的电源开关，使之处于“OFF”状态；并调节转速和电压调节旋钮，使之归零，拔下装置电源插头12；最后，从环形金属收集极10上取部分样品，用扫描电子显微镜观察，所得到的纺丝纤维的形貌良好，排列的平行度很高；以绝缘旋转盘3的切线方向为基线，测量并统计纤维的取向与该基线的角度，83％的纺丝纤维与基线的角度在5°以内，12％的纺丝纤维与基线角度在5-10°间，只有约5％的纺丝纤维与基线的角度在10°以上；若定义平行度＝(与基线的角度在5°以内的纤维数目)/(纤维总数)，则本发明的纤维平行度达到了80％以上。