电纺纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种电纺纤维的方法。该纤维具有由多孔外壳包围的内芯。该方法包括：对分别作为芯和壳的第一液体和第二液体进行共电纺，在从泰勒锥体发出的射流中，第二液体包围第一液体，其中，第一液体和第二液体彼此可混溶或半可混溶，从而推动孔在纤维的壳中生成。所述液体可以是溶液或熔体。所述液体的电导率、粘度、可混溶性和其他参数决定所制造的纤维的结构。如制造具有多孔壳的纤维一样，本发明专利技术还描述了共电喷射多孔珠和具有多孔壳的芯-壳囊泡的方法。这些方法可用于制造储氢纤维、囊泡和珠。这些方法还可以用于制造受控药物递送的纤维、囊泡和珠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电纺(electrospin)具有由外壳包围的内芯的纤维的方法。本专利技术还涉及一种用电喷射(electrospray)来产生填充有固体或流体的囊泡的方法。特别是，本专利技术涉及控制纤维和囊泡的纹理和结构的方法。
技术介绍
电喷射是一种分散液体以产生气溶胶的技术。在该技术中，液体通过毛细管供给并且对该毛细管的尖端施加高电压。还提供一个偏置有低电压(如接地)的板，其沿与毛细管正交的方向与毛细管隔开放置。尖端处的较高电位引起泰勒锥体的形成。通过该锥体的顶端喷射出液体射流。如图1所示，由于射流中存在库伦排斥，该射流迅速形成液滴。图2显示的是电纺的相关技术。与电喷射类似，在毛细管I的尖端与收集器板2之间连接有恒压源。同样，由于存在库伦排斥力和表面张力，形成了泰勒锥体。如果液体是粘度足够高(由于具有高分子量)的聚合物或其他液体，则从泰勒锥体发射出的液体射流不会散开。该射流因聚合物或液体中的静电排斥而进一步拉长，直至产生细纤维。纤维最终沉积在收集器2上。液体射流的不稳定性和溶剂的蒸发会导致纤维不直并可能卷曲。通过结合足够高的电场仔细选择聚合物和溶剂系统，可以形成具有纳米级直径的纤维。对于制造微米级纤维和纳米纤维而言，电纺工艺是特别通用的工艺。已直接制造或通过纺后工序制造了诸如聚合物、复合材料、陶瓷和金属纳米纤维等材料。已实现了3nm IOOOnm的直径。所制造的纤维可用于从临床用支架到亚微米颗粒过滤用纳米纤维垫的多种领域。已尝试制造更复杂的纤维，例如外壳材料与芯材料不同的纤维，以及将药物混入外壳或者将细菌和病毒混入内芯的纤维材料。该工艺被称为共轴电纺或共电纺。在现有技术的共电纺技术中，例如如图3所示，用于形成芯的溶液10和用于形成壳的溶液20通过喷嘴40中的同心开口来递送。通过电压电源30对该喷嘴施加电场以将壳溶液拉至泰勒锥体50中，在该处壳溶液表面内的静电力克服了表面张力并从锥体发出射流60。芯溶液和壳溶液的相对粘度也将影响共轴射流的形成。摩擦力(例如芯溶液与壳溶液之间的粘性拖动)将导致芯溶液与壳溶液一起被拉至泰勒锥体和射流中。类似于单组分电纺，射流中的弯曲不稳定性将导致射流形成螺旋70。随着射流被拉向接收器80，壳液的外表面中的静电力将使射流变长变细。芯溶液和壳溶液中的溶剂会蒸发，因此，随着射流变细，射流将开始固化为芯-壳纤维。在连续操作下，可以快速地制造克级量的纤维。现有技术已经提出，芯-壳纤维的结构受到电纺环境的湿度的影响。但是，期望的是提供一种可靠地电纺带纳米纹理的芯-壳纤维并控制所电纺的芯-壳纤维的纹理的方法。
技术实现思路
本专利技术提供电纺和电喷射芯-壳纤维和囊泡的方法，其中可混溶或半可混溶的溶液形成多孔的壳，不可混溶的溶液形成非多孔的壳。壳的孔隙率通过结合粘度和电导率调整芯液和壳液的可混溶性来控制。本专利技术还提供电纺和电喷射核-壳纤维和囊泡的方法，在所述核-壳纤维和囊泡中，芯溶液具有高电导率。本专利技术提供一种制造纤维的方法，所述方法包括:对分别作为芯和壳的第一液体和第二液体进行共电纺，在从泰勒锥体发出的射流中，所述第二液体包围所述第一液体，其中，所述第一液体和第二液体彼此可混溶或半可混溶，从而推动孔在纤维的壳中的生成。第一液体的电导率可以比第二液体的高，以使得电导率更高的第一液体推动孔在纤维的壳中的生成。第一液体和第二液体各自可以是熔融材料或“熔体”，或者是由溶解在溶剂中的溶质构成的溶液。因此，本专利技术还提供一种制造纤维的方法，所述方法包括:对分别作为芯和壳的第一溶液和第二溶液进行共电纺，在从泰勒锥体发出的射流中，所述第二溶液包围所述第一溶液，其中，所述第一溶液的电导率高于所述第二溶液，并且所述第一溶液和第二溶液彼此可混溶或半可混溶，以使得芯的第一溶液的更高的电导率推动孔在纤维的壳中的生成。在这些溶液中产生了径向电场。芯的更高电导率的第一溶液推动溶液在径向电场中的混合，随之推动孔在纤维的壳中的生成。共电纺或共轴电纺是这样一种工艺:通过该工艺，至少两种流体被用在芯-壳或芯-鞘构造中，其中壳或鞘形成包围圆形芯截面的圆环。电导率是指电解电导率，即液体(溶液或熔体)导电的能力。半可混溶是指可部分地相混但不完全溶解于彼此的液体。孔隙率涉及纤维的壳中的空隙空间，并且可以指总体积中由空隙形成的部分的比例。在本专利技术中，孔是具有以下尺寸的空隙:当形成芯-壳纤维时，其直径为约0.1 0.05 μ m至低至约0.01 μ m。壳的空隙部分的体积比例为至少5%。电纺环境的电场中的高导电性芯液体将具有在芯液体与壳液体的界面处累积的电荷。电荷之间的静电排斥会通过场效应放大表面上的任何纹波(表面张力波)，使它们克服表面张力并冲入壳中以产生孔。孔由放大的表面张力波产生，表面张力波使得富含芯液的区域突入壳中并发生固化或蒸发以在壳中留下孔。本专利技术涉及具有高电导率的芯液体(溶液或熔体)和使用半可混溶或可混溶的液体的组合，以推动电纺并制造多孔的壳。这种可混溶性与电导率的组合可以控制孔隙率。特别而言，本专利技术使壳具有沿纤维壳在纵向和方位角上都基本均匀分布的孔。孔因芯-壳界面处的非轴对称毛细管模式的不稳定性而产生，所述不稳定性仅在存在这种电导率与可混溶性的组合时出现。现有技术的制造多孔纤维的方法一直依赖于控制环境的湿度，并一直采用以电导率较高的溶液作为壳的标准电纺方法。当芯和壳的液体或溶液组半可混溶时，会看到多孔纤维。当所述液体或溶液不可混溶时，会形成大体整洁的芯-壳结构。可混溶的溶液的某些组合也可以形成多孔结构。通过使用可推动电纺机制的芯溶液，本专利技术还可以实现本身不能被电纺的聚合物或其他材料的电纺。第一液体可以是包含溶剂化或溶解在第一溶剂组合物中的第一材料的溶液，第二液体可以是包含溶解或溶剂化在第二溶剂组合物中的第二材料的溶液。溶剂组合物可以是单一溶剂或多种溶剂的共混物。当第一液体是第一溶液并且第二液体是包含溶解的聚合物的第二溶液时，第一溶液和第二溶液在锥体中、射流中或后续阶段(但在固化之前)混合，以使得聚合物从溶液混合物中析出。该方法可以包括:将第一溶液供给至喷嘴中的芯开口 ；将第二溶液供给至喷嘴中的一个或多个壳开口 ；在喷嘴与收集器之间施加电场以形成流体锥体和来自流体锥体的流体射流，所述流体射流具有第一溶液的芯和第二溶液的壳；和在射流被拉向收集器的同时使第一和第二溶剂组合物蒸发以产生纤维。纤维可以具有由第二材料形成的多孔壳和由第一材料形成的芯。第一溶液和/或第二溶液可以包含聚合物前体，所述聚合物前体在第一溶剂和/或第二溶剂蒸发时形成聚合物。第一溶液的电导率为第二溶液的电导率的至少10倍、优选为第二溶液的电导率的100倍或1000倍。第二溶液具有低电导率，优选小于I X 10_6S/cm或I X 10_7S/cm (例如，在室温下)，以使芯推动电纺过程。壳-芯流速的比率优选为约2:1，例如为1.7:1 2.3:1。该方法可以包括:计算汉森溶解度参数以确定第一材料在第一溶剂组合物中的溶解度和第二材料在第二溶剂组合物中的溶解度，从而选择第一和第二溶剂组合物；和将第一和第二溶剂组合物的汉森溶解度参数进行比较以确定第一和第二溶剂组合物是否彼此可混溶或半可混溶。选择步骤可以包括计算第一或第二溶剂的溶解度球的半径Ra，并确定其是否小于第一或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·I·F·大卫，M·欧文琼斯，D·W·K·詹金斯，S·本宁顿，A·洛弗尔，Z·库尔班，
申请(专利权)人：科学技术设备委员会，
类型：
国别省市：