熔體電紡聚乳酸可控結(jié)構(gòu)成型工藝初探*

劉曉鳳，張莉彥，譚晶，李軼，李好義

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

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熔體電紡聚乳酸可控結(jié)構(gòu)成型工藝初探*

劉曉鳳，張莉彥，譚晶，李軼，李好義

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

摘要：采用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，在三維可控運(yùn)動(dòng)輔助下利用熔體靜電紡絲技術(shù)，制備了有序聚乳酸纖維。研究了噴頭運(yùn)動(dòng)速度、電壓、接收距離及進(jìn)料速度對(duì)電紡纖維直徑和沉積特點(diǎn)的影響。結(jié)果表明，隨著噴頭速度、電壓的增加，以及電壓與接收距離同時(shí)增加，纖維直徑相應(yīng)減小；隨著進(jìn)料速度、接收距離的增加，纖維直徑增大；且當(dāng)噴頭運(yùn)動(dòng)速度為1 000 mm／min，電壓2 kV，接收距離10 mm，進(jìn)料螺桿速度20 r／min時(shí)，纖維可控沉積性最佳。獲得連續(xù)均一的二維拓?fù)渚W(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：聚乳酸；熔體靜電紡絲；噴頭運(yùn)動(dòng)速度；電壓；接收距離；進(jìn)料速度

聯(lián)系人：李好義，博士后，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧舷冗M(jìn)制造

靜電紡絲法制備微納米纖維因其操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注［1–4］。作為靜電紡絲的分支之一，熔體靜電紡絲已成為制備微納米纖維的重要途徑之一［5–9］，與溶液靜電紡絲相比，熔體靜電紡絲法具有較多優(yōu)勢(shì)，其成絲過程為熱熔固化，無需溶劑輔助；可用于制備較大微孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架［10–11］，且其生產(chǎn)效率高［12］。

熔體靜電紡絲技術(shù)制備的纖維直徑大多在幾微米，纖維間孔隙幾微米到幾十微米，同時(shí)具有高孔隙率、高比表面積［13–15］等特點(diǎn)。但普通熔體靜電紡絲裝置制備的纖維雜亂無序，限制其在組織工程、傷口敷料、藥物緩釋載體和催化劑載體等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何制備有序可控的纖維結(jié)構(gòu)成為熔體靜電紡絲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用所面臨的問題與挑戰(zhàn)。

筆者采用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過將熔體靜電紡絲技術(shù)與三維可控運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，研究了噴頭運(yùn)動(dòng)速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、極板接收距離、進(jìn)料速度等不同工藝對(duì)紡絲纖維直徑和射流運(yùn)動(dòng)與沉積特點(diǎn)的影響，同時(shí)利用熔體靜電紡絲直線射流部分纖維沉積可控的特點(diǎn)獲得了二維拓?fù)渚W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

聚乳酸（PLA）：6525D，紡絲前放入真空干燥箱中在80 ℃下干燥4 h，美國(guó)Nature Works LLC公司。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究噴頭運(yùn)動(dòng)速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、極板接收距離、進(jìn)料速度4個(gè)參數(shù)對(duì)紡絲纖維直徑和射流運(yùn)動(dòng)與沉積特點(diǎn)的影響。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的熔體電紡可控成型裝置，其示意圖如圖1所示。該裝置主要包括進(jìn)料裝置、電加熱圈、料筒、單針噴頭、接收板、極板、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和高壓靜電發(fā)生器。

該裝置主要有以下特點(diǎn)：1）裝置具有可進(jìn)行水平方向二維可控運(yùn)動(dòng)的噴頭，其與垂直運(yùn)動(dòng)的接收板組合可完成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而達(dá)到多結(jié)構(gòu)成型的目標(biāo)；2）裝置的單針噴頭通過螺紋與料筒連接，可滿足更換不同直徑針頭的需求；3）裝置進(jìn)料系統(tǒng)采用自適應(yīng)可控進(jìn)料結(jié)構(gòu)，可精確控制進(jìn)料量，避免軌跡轉(zhuǎn)角處由于料流量過大導(dǎo)致的堆積現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)時(shí)如圖1c中所示，噴頭在水平位置x，y方向運(yùn)動(dòng)，而接收板沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，接收板接高壓靜電，噴頭接地。

圖1　熔體靜電紡絲可控成型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.4電紡可控成型原理及過程

電紡可控成型將靜電紡絲所得卷曲的纖維拉伸為特定的結(jié)構(gòu)，其借助熔體電紡纖維射流開始階段為直線段的優(yōu)勢(shì)，在噴頭與接收板相隔一段距離條件下仍能實(shí)現(xiàn)可控堆積。在其成型過程中，纖維主要受到兩種力的作用，其一為電場(chǎng)力，其二為運(yùn)動(dòng)噴頭與接收板相對(duì)運(yùn)動(dòng)的拖拽力。電場(chǎng)力的作用為細(xì)化纖維，使射流垂直下落于接收板上；而拖拽力不僅可進(jìn)一步細(xì)化纖維，同時(shí)可引導(dǎo)纖維可控堆積。

具體成型：首先將粒料加入到進(jìn)料口內(nèi)，在加熱圈的預(yù)熱下，熔體熔融，進(jìn)料裝置推動(dòng)熔融物料從單針噴頭流出。接著開啟靜電發(fā)生器，熔體射流在電場(chǎng)力作用下被拉伸細(xì)化，在適當(dāng)?shù)慕邮站嚯x下，纖維垂直落于接收板上，在噴頭的運(yùn)動(dòng)拖拽下沿預(yù)定軌跡堆積于接收板，形成所需結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與討論

2.1噴頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維沉積的影響

噴頭與接收板相對(duì)運(yùn)動(dòng)的拖拽力是結(jié)構(gòu)成型的作用力之一，因此其對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響非常重要。表1為進(jìn)料速度為25 r／min，加熱溫度為200℃，紡絲電壓為2 kV，接收距離為10 mm時(shí)，噴頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維直徑的影響。由表1可以看出，隨著噴頭運(yùn)動(dòng)速度的增加，纖維直徑逐漸減小。

表1　噴頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維直徑的影響

圖2為噴頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響。從圖2可看出，隨著噴頭運(yùn)動(dòng)速度的增大纖維沉積趨于直線，速度為700 mm／min時(shí)，纖維呈波浪狀；800 mm／min時(shí)纖維呈直線但伴有點(diǎn)狀沉積，900 mm／min時(shí)部分趨于直線，部分區(qū)域呈波浪狀，速度為1 000 mm／min時(shí)，纖維呈直線狀。因?yàn)殡娂徖w維在10 mm紡絲距離內(nèi)完成整個(gè)射流過程，其射流存在較大鞭動(dòng)部分，在相同場(chǎng)強(qiáng)與接收距離作用下，隨著噴頭運(yùn)動(dòng)速度的增加，不穩(wěn)定的鞭動(dòng)狀態(tài)被拉伸開，直到某個(gè)速度時(shí)，纖維剛好呈直線。

圖2　噴頭運(yùn)動(dòng)速度對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響

2.2電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)纖維沉積的影響

電場(chǎng)力作為結(jié)構(gòu)成型的另一個(gè)作用力，其對(duì)纖維形態(tài)的影響也非常重要。影響電場(chǎng)力的參數(shù)為電壓。表2為噴頭運(yùn)動(dòng)速度1 000 mm／min，進(jìn)料速度為25 r／min，接收距離為10 mm，加熱溫度為200℃時(shí)，電壓對(duì)纖維直徑的影響。由表2可以看出，隨著電壓的增大，纖維直徑逐漸減小，在5 kV時(shí)，纖維直徑最小為182 μm，這與一般熔體電紡工藝所得結(jié)論一致。

表2　電壓對(duì)纖維直徑的影響

圖3為電壓對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響。由圖3可見，由于電壓的增加加劇了纖維的鞭動(dòng)，使相同噴頭運(yùn)動(dòng)速度下所得纖維沉積不穩(wěn)定，呈波浪與卷曲堆疊狀。

圖3　電壓對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響

2.3接收距離對(duì)纖維形態(tài)的影響

接收距離即為接收板到噴頭之間的距離，該距離的變化有兩種情況：1）電壓不變，接收距離改變；2）電壓與接收距離同時(shí)改變。

（1）電壓不變時(shí)接收距離對(duì)纖維形態(tài)的影響。

表3為電壓不變時(shí)，噴頭運(yùn)動(dòng)速度為1 000 mm ／min，進(jìn)料速度為25 r／min，加熱溫度為200℃，紡絲電壓為2 kV時(shí)，接收距離對(duì)纖維直徑的影響。纖維直徑隨著接收距離的增大而增大。這是由于該情況下接收距離的增加同時(shí)導(dǎo)致了纖維所受電場(chǎng)力減小，拉伸減弱；同時(shí)由于距離過大，接收板與噴頭對(duì)運(yùn)動(dòng)的拖拽力也明顯減弱，因而纖維粗大。

表3　接收距離對(duì)纖維直徑的影響

圖4為電壓不變時(shí)，接收距離對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響。由圖4可知，接收距離大時(shí)，纖維呈波浪狀，隨著接收距離減小，纖維恢復(fù)直線沉積。這是由于接收距離過大，纖維所受電場(chǎng)力小，其鞭動(dòng)減小，但接收距離的增大造成了其下落過程的自然的擺動(dòng)（該擺動(dòng)由于地心引力影響），形成波浪狀。此時(shí)接收距離為10 mm時(shí)，纖維沉積最佳。

（2）電壓與接收距離同時(shí)改變對(duì)纖維形態(tài)的影響。

表4為電壓與接收距離同時(shí)改變，噴頭運(yùn)動(dòng)速度1 000 mm／min，進(jìn)料速度為25 r／min，加熱溫度為200℃，電壓接收距離對(duì)纖維直徑的影響。由表4可以看出，纖維直徑隨著接收距離的增大而減小。這是由于該情況下纖維所受電場(chǎng)力不變，但接收板與噴頭間纖維保留的鞭動(dòng)部分增加，纖維直徑減小。

圖4　接收距離對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響

表4　接收距離對(duì)纖維直徑的影響（場(chǎng)強(qiáng)不變）

圖5為電壓與接收距離同時(shí)改變對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響。由圖5可以看出，隨著接收距離的增加，纖維沉積從直線變?yōu)檫B續(xù)的圓圈，圓圈互相堆疊直到纖維變?yōu)榛靵y絮狀；這是由于接收距離增大，鞭動(dòng)部分增加，造成纖維的混亂。當(dāng)電壓為2 kV，接收距離為10 mm時(shí)纖維沉積最佳。

圖5 接收距離對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響

圖6為不同電壓形式下接收距離對(duì)纖維直徑的影響。對(duì)比電壓改變與電壓不變兩種情況下的纖維直徑大小可知，電壓改變條件下所得纖維直徑??；兩者都在接收距離為10 mm時(shí)得到直線沉積狀態(tài)，因此應(yīng)在電壓改變條件下進(jìn)行有序纖維的制備。

2.4進(jìn)料速度對(duì)纖維沉積的影響

表5為噴頭運(yùn)動(dòng)速度1 000 mm／min，紡絲電壓2 kV，加熱溫度為200℃，紡絲距離為10 mm，進(jìn)料速度對(duì)纖維直徑的影響。由表5可知，隨著進(jìn)料速度的增加，纖維直徑逐漸增加。這是由于料流量增加，熔滴未被拉伸就下落到接收板上，這減弱了電場(chǎng)力對(duì)熔滴的拉伸作用，此時(shí)只有噴頭拖拽力 作 用于纖維。

圖6　不同電壓下接收距離對(duì)纖維直徑的影響

表5　進(jìn)料速度對(duì)纖維直徑的影響

圖7為進(jìn)料速度對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響。隨著進(jìn)料速度的增加，纖維沉積形態(tài)由直線變?yōu)椴贿B續(xù)的卷曲，卷曲的距離逐漸減小，直到卷曲伸展開變?yōu)椴ɡ藸睢Ｒ虼藨?yīng)當(dāng)盡量減小料流量，從而在保證得到直線沉積的前提下盡可能減小纖維直徑。

圖7　進(jìn)料速度對(duì)纖維沉積形態(tài)的影響

2.5電紡可控二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在噴頭運(yùn)動(dòng)速度為1000 mm／min，電壓2 kV，接收距離10 mm，進(jìn)料速度20 r／min的條件下利用自主設(shè)計(jì)的電紡可控成型裝置制備了PLA二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格示意圖如圖8所示。

圖8　電紡可控二維拓?fù)渚W(wǎng)格

由圖8可知，該裝置在上述工藝條件下獲得了直徑連續(xù)均一的可控二維拓?fù)渚W(wǎng)格，所得結(jié)構(gòu)自粘結(jié)性較好。

3　結(jié)論

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)熔體靜電紡絲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用，制備出電紡可控的結(jié)構(gòu)。通過將熔體靜電紡絲裝置與三維可控運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種熔體電紡可控成型裝置，研究了其制備可控結(jié)構(gòu)的工藝；研究發(fā)現(xiàn)隨著噴頭運(yùn)動(dòng)速度、電壓的增加及電壓與接收距離的同時(shí)增加，纖維直徑相應(yīng)減??；隨著進(jìn)料速度、接收距離的增加，纖維直徑增大；且當(dāng)噴頭運(yùn)動(dòng)速度為1000 mm／min，電壓2 kV，接收距離10 mm，進(jìn)料速度20 r／min時(shí)，纖維可控沉積性最佳，獲得連續(xù)均一的二維拓?fù)渚W(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

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Study on Forming Process of Controlled Structure about Polylactic Acid by Melt Electrospinning

Liu Xiaofeng， Zhang Liyan， Tan Jing， Li Yi， Li Haoyi
（College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Abstract：Polylactic acid fiber was prepared by using self-designed experimental device，using melt electrospinning technology with the help of three dimensional controlled movement. The impact of nozzle velocity， voltage， the reception distance and feed rate on electrospun fibers diameter and deposition characteristics were studied. The results show that the fiber diameter is reduced with increasing of the nozzle velocity，voltage， the reception distance and voltage simultaneously， the fiber diameter increases with increasing of feed rate and the reception distance； and when the nozzle velocity is 1 000 mm／min，voltage 2 kV，receiving distance 10 mm，screw rate 20 r／min，the fiber deposition is best controllability， and gaining consecutive and uniform grid with two-dimensional topology structure.

Keywords：polylactic acid； melt electrospinning； nozzle velocity；voltage； reception distance； feed rate

中圖分類號(hào)：TS155.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539（2016）05-0051-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.013

收稿日期：2016-02-12

*北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2141002），國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題任務(wù)書（2015BAE01B00），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（ZY1520，ZY1532）