静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
作者简介:
李 静(1985-),女,河南人,江南大学生态纺织教育部重点实验室硕士生,研究方向:纳米材料和锂离子电池材料;乔 辉(1982-),男,山东人,江南大学生态纺织教育部重点实验室副教授,博士,研究方向:新能源材料等,本文联系人;魏取福(1964-),男,安徽人,江南大学生态纺织教育部重点实验室教授,博士生导师,研究方向:功能纤维材料。基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(JU SRP11102),江苏省自然科学基金(BK2010140)
静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
李 静,乔 辉,魏取福
(江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡 214122)
摘要:用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PA N)/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,经预氧化、高温炭化,制备用作锂离子电池负极材料的碳纳米纤维(CN F)。透射电子显微镜(T EM )和比表面积分析发现:制备的CN F 具有多孔结构,比表面积达到572 9m 2
/g,平均孔径为33 6nm 。以50mA/g 的电流在0 01~3 00V 循环,制备的多孔CN F 的首次放电比容量为333 3mA h/g,第20次循环的可逆比容量为231 8mA h/g,充放电效率近90%。关键词:静电纺丝法; 碳纳米纤维(CN F); 多孔结构; 负极材料; 充放电性能中图分类号:T M 912 9 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2011)03-0132-03
Porous carbon nanofibers prepared by electrospinning technique
LI Jing,QIAO Hui,WEI Qu fu
(Key Labor atory of Eco T ex tiles of M inistry of Education ,College of T ex tiles&Clothing,
J iangnan University ,Wux i,Jiangsu 214122,China)
Abstract:Polyacr ylonitrile (PAN)/poly(methyl methacry late)(PM M A)co mposite nanofibers w er e prepared by electrospinning
technique,then porous carbon nanofibers (CNF )as anode material for L i ion batter y were obtained by pr e ox idation and high tem perature carbonat ion T he analyses of transmission electron microscopy (T EM )and specific surface area showed that the as pre pared CNF had por ous structure,the specific sur face area was 572 9m 2/g,t he mean pore size was 33 6nm When cycled in 0 01~3 00V with the curr ent of 50mA /g,the initial specific discharg e capacity of the as pr epar ed porous CN F w as 333 3mAh/g,the r ev ersible specific capacity was 231 8mAh/g at t he 20th cycle,the charge discharge efficiency w as near 90%
Key words:electrospinning ; carbon nanofibers (CNF ); porous structure; anode material; charge discharge performance
锂离子电池所用的碳负极材料,主要为石墨类材料和
低温热解碳。碳材料在首次充放电时表面会形成钝化膜,造成容量损失;且碳的电极电位与锂的很接近,当电池过充时,金属锂可能在负极表面析出,形成枝晶而引发安全问题,并导致容量降低。纳米材料,如碳纳米管(CNT )、纳米石墨、纳米合金和纳米氧化物等,已成为锂离子电池负极材料的研究重点,并有望取代碳材料用于锂离子电池[1]。
碳纳米纤维(CN F)的直径一般为10~500nm,是介于CN T 和普通碳纤维之间的准一维碳材料,具有较高的结晶取向度、较好的导电和导热性能,可用作超级电容器和锂离子电池的负极材料。L W Ji 等[2-3]
发现:CNF 作为锂离子
电池负极材料的储锂比容量达566mA h/g,首次循环的库仑效率为66%,且循环性能较好,第50次循环的可逆比容量仍有435mAh/g 。刘鸿鹏等
[4]
通过化学气相沉积(CVD )法制
备了CN F,首次嵌锂比容量达533mAh/g,第25次循环的可逆比容量保持在274mAh/g 。
静电纺丝法的工艺简单、成本低,是目前唯一可制备连续纳米级碳纤维的方法[5]。本文作者采用该方法,先制备聚丙烯腈(PAN )/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,再经预氧化、高温炭化,得到多孔CN F 。
第41卷 第3期2011年 6月电 池BAT T ERY BI MO NT HL Y Vol 41,No 3Jun ,2011
1 实验
1 1 PAN/P M MA复合纳米纤维和PA N纳米纤维的制备
配制质量分数为8%的PAN(江苏产, 99 9%)的N, N 二甲基甲酰胺(DM F,上海产,AR)溶液,在60 水浴中磁力搅拌4h,然后向其中加入PM M A(美国产, 99 9%), m(PAN) m(PM M A)=7 3,继续在60 水浴中磁力搅拌8h,得到均匀的复合纺丝液。
将上述复合纺丝液倒入带有磨平针头(孔径为0 7mm)的20ml针筒中,采用自制的静电纺丝设备,制备PA N/PM M A复合纳米纤维的纤维毡。静电纺丝法的参数为:采用铝箔包覆的平板式接收装置,针头与接收平板的距离为15cm,加在针筒针头上的电压为15kV,纺丝速度为0 5ml/h。
采用与PAN/PM MA复合纳米纤维同样的方法制备PAN纳米纤维,但纺丝液中不加入PM M A。
1 2 CNF的制备
将得到的PAN纳米纤维和PAN/PM M A复合纳米纤维毡置于马弗炉中,以2 /min的升温速率从室温升至250 并保温2h,进行预氧化。以0 5 /min的速率从250 升温至800 并保温5h,进行高温炭化,然后在氮气保护下自然冷却至室温,分别得到PA N基CNF和PAN/PM M A基多孔CN F。
1 3 材料的结构和形貌分析
用D8Advance型X射线衍射仪(德国产)进行XR D分析,CuK , =0 15406nm,用NaI晶体闪烁计数器测量X射线的强度,扫描速度为4( )/min,步长为0 02 ;用JSM 5600型扫描电镜(日本产)分析PAN/P M MA复合纳米纤维及PAN基CN F的形貌结构;用JEM 2100型透射电子显微镜(T EM,日本产)分析PAN基CN F的微观结构;用A SAP2010比表面孔隙率测定仪(美国产),采用BET法计算制备的PAN基CNF的表面参数。
1 4 电池的组装及充放电性能测试
按质量比80 10 10将制备的PAN/PM M A基多孔CN F、乙炔黑(天津产, 99 9%)和60%聚四氟乙烯(广州产, 99 9%)乳液混匀,再用异丙醇(上海产,AR)搅拌成粘稠状,用手摇式压膜机压成约0 05mm厚、有韧性的膜。在80 下烘干后,取直径为1 4cm的圆形膜片,压在集流体泡沫镍(上海产, 99 9%)网上,然后放在功率为10kW的红外灯下(膜片与灯泡的距离为30cm)烘干6~12h。
以金属锂片(江西产, 99 9%)为对电极和参比电极, Celgard2400膜(美国产)为隔膜,1mol/L L iPF6/EC+DM C +EM C(体积比1 1 1,张家港产,电池专用)为电解液,在充满氩气的手套箱中组装直径为4cm、高度为5cm的三电极模拟电池。在BT S 5V1mA电池测试系统(深圳产)上进行充放电测试,电流为50mA/g,电压为0 01~3 00V。
2 结果与讨论
2 1 结构和形貌
图1是PAN/PM M A基多孔CNF的XRD图。
图1 PAN/PM M A基多孔CNF的XRD图
F ig 1 XRD pattern of PAN/PM M A based porous CNF
从图1可知,曲线上25 左右、较宽的峰对应层状结构石墨的衍射峰,表明PAN/PM M A复合纳米纤维中的PA N 被转化成石墨碳,PM M A在高温条件下被分解。图1中,峰的强度较弱,表明多孔CNF中的碳成分未被完全石墨化。
图2是制备的PAN/PM M A复合纳米纤维和PAN/P M M A基多孔CN F的SEM图。
图2 PAN/P M MA复合纳米纤维和PAN/PM M A基多孔CNF的SEM图
F i g 2 SEM photographs of PAN/PMMA composi te nanofibers
and PAN/PM MA based porous CNF
从图2a可知,制备的PA N/PM M A复合纳米纤维的直径较均匀地分布于120~400nm,纤维形态较好;从图2b可知,经过高温炭化后制备的PA N/PM M A基多孔CNF,结构保持良好,纤维直径变细,分布于80~330nm。
图3是PAN/PM M A基多孔CN F的T EM图。
图3 PAN/PM MA基多孔CNF的T EM图
F ig 3 T ransmission electron microscopy(T EM)photograph
of PA N/PM M A based porous CN F
从图3可知,纤维表面具有致密的空隙结构,且孔径较小,说明制备PA N/PM MA基CNF具有多孔结构,也说明把
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第3期
李 静,等:静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
一种高分子作为生孔剂加到PA N纺丝液中,经静电纺丝和炭化处理可制得连续、具有多孔结构的CN F。
表1列出了制备的CNF的表面参数。
表1 制备的CNF的表面参数
Table1 Surface parameters of as prepared CNF
样品比表面积
/m2 g-1
孔体积
/cm3 g-1
平均孔径
/nm
PAN基CNF2 70 00159134 8 PAN/PM M A基多孔CNF572 90 05333 6
从表1可知,生孔剂PM M A的加入,使得炭化后PA N 基CN F的比表面积从2 7m2/g增加到572 9m2/g。PAN/ PM MA基多孔CNF的平均孔径为33 6nm,而介孔结构的孔径尺寸为2~50nm,说明所制备的PAN/PM M A基多孔CN F具有介孔结构;PA N基CN F的孔径为134 8nm,为大孔结构。由此可知,PM M A作为生孔剂加到PAN纺丝液中,有利于制备可增加材料比表面积的介孔结构CNF材料。
2 2 PAN/P M MA基多孔CNF的充放电性能
纤维材料的直径越小,比表面积越大,作为负极材料的电化学性能就越好。CN F的比表面积大,充放电时的双电层电容效应明显,对提高锂离子电池的电化学容量有利[6-7]。PAN/PM M A基多孔CN F的充放电性能见图4。
图4 PA N/PM M A基多孔CN F的充放电性能
F ig 4 Charge di scharge performance of PAN/PM M A based
porous CNF
从图4a可知,首次放电有2个明显的平台,分别位于1 3V和0 8V。0 8V处的平台是位于PAN/PM M A基多孔CN F的表面缺陷或含氧基团与电解质反应形成的,平台不很平直,说明PA N/PM M A基多孔CNF中含氧基团的含量很少。1 3V附近较长的电位平台对应生成固体电解质相界面(SEI)膜的过程,是造成不可逆容量损失的主要原因。SEI膜形成后,可起到保护层的作用,只对Li+导通而对电子不导通。PAN/PM M A基多孔CN F负极材料的首次充、放电比容量分别为586 3mAh/g和333 3mAh/g,不可逆比容量达253 0mAh/g,充放电效率仅56 8%。这主要是制备的多孔CN F比表面积大,在0 1~1 3V生成的SEI膜消耗了大量Li+造成的,这部分不可逆容量几乎占充电容量的50%。
从图4b可知,作为负极材料的PAN/PM M A基多孔CN F在前5次循环过程中的容量衰减较快,放电比容量从333 3mAh/g衰减到260 1mAh/g。从第5次循环开始,容量衰减得较慢,第20次循环时仍有231 8mA h/g。充放电效率从第2次循环起开始提高,第10次循环时达到90%,不可逆容量逐渐降低,可逆比容量基本维持在235 0mAh/g左右。由此可知,制备的PA N/PM M A基多孔CNF具有良好的循环性能,放电容量衰减很小,除首次充放电不可逆容量大及循环效率低外,后续循环的性能都很好。
制备的PA N/PM M A基多孔CNF具有较好的循环性能,与特殊的纳米结构有关: 直径较小,L i+在其中的嵌入深度浅、扩散路径短,有利于快速嵌脱; 比表面积大,有助于减小电极电化学过程中的极化,并增加电极与电解液之间的接触面积,有利于L i+在充放电过程中的嵌脱; 具有介孔结构,可提供电子和离子在有机电解液中传输的连续性,减小溶液的电阻,为电解质离子提供了充足的运输通道,能吸引更多的电解质离子参与反应。
3 结论
通过静电纺丝法制备了PA N/PM M A复合纳米纤维,经预氧化、高温炭化,制备了用作锂离子电池负极材料的多孔CNF。制备的PAN/PM MA基多孔CNF的比表面积为572 9m2/g,平均孔径为33 6nm。将制备的PAN/PM M A 基多孔CN F用作锂离子电池负极材料,以50mA/g的电流在0 01~3 00V循环,首次放电比容量为333 3mAh/g,第20次循环的可逆比容量为231 8mAh/g。多孔CN F负极材料的充放电性能较好,主要是纤维直径小、具有介孔结构和大比表面积所致。制备的多孔CNF的循环性能与商品化碳负极材料相比,改善不大,需要进一步研究。
参考文献:
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收稿日期:2011-01-10
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电 池
BAT T ERY BI MO NT HL Y
第41卷
静电纺纳米纤维与药物控制释放
静电纺纳米纤维与药物控制释放 陈义旺博士、教授、博士生导师、洪堡学者。南昌大学化学系主任，理学院副院长。 摘要 将抗肿瘤药物通过静电纺丝的方法装载到纳米纤维中以实现药物的控制释放，载药纳米纤维具有较低的药物突释效应，延长药物释放时间，并且从纳米纤维中缓释的抗肿瘤药物能很好地抑制HepG-2细胞的生长。负载抗肿瘤药物的电纺纳米纤维膜纤维能很好的应用于药物缓释系统，对肿瘤进行定位治疗及癌症手术后的化疗有很好的应用前景。 药物的控制释放一直是药物治疗领域中的重要课题。纳米纤维具有纵横交错的纳米孔结构、尺寸可控性好、比表面积大，是一种良好的新型载药系统；纳米纤维是封装药物的理想材料，它不但能将固体药物以颗粒形式封装入纤维内，还可以将液体药物以双层纤维或链珠状纤维形式进行封装[1,2]。因此，纳米纤维及其复合材料在药物控释系统、组织工程支架、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用[3,4]。 研究内容 1.溶液电纺或乳液电纺PEG-PLLA/明胶复合纤维纳米纤维担载亲水/疏水药物控制释放及抗肿 瘤活性研究[5-7]应用。PEG-PLLA纳米纤维作为大环内酯类抗生素药物布雷菲德菌素A（BFA）的控制释放系统，用HPLC测定药物BFA在PBS溶液中的释放曲线，结果表明药物可以长时间的控制释放。用MTT法对含有3%，6%，9%，12%和15%BFA的纳米纤维进行体外抗肿瘤活性测试（人肝癌HepG2细胞），细胞生长抑制率在72h分别为64%，77%，80%，81%和85%。结果证明担载BFA的PEG-PLLA纳米纤维（BFA/PEG-PLLA）的对药物BFA 有很好的控释效果，适合癌症的术后化疗。通过乳液电纺方法成功将亲水药物头孢拉定及疏水的药物五氟尿嘧啶装载入PLGA纤维中，同时装载天然蛋白明胶来提高纤维的细胞粘附能力。装载明胶的纤维具有很好亲水性及力学性能，乳液电纺纤维具有低的药物突释效应，具有低的毒性
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景..
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 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。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”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，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。
静电纺丝制备纳米纤维
静电纺丝制备MWNTs 高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维 刘大伟，李旭，李刚，杨小平 北京化工大学有机/无机复合材料国家重点实验室，北京，100029 CFRP 复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性[1，2]，然而单向纤维增强树脂基复合材料在垂直于纤维的方向力学性能较差，层间强度低，影响了CFRP 的 整体性能。本课题组采用静电纺丝的方法将MWNTs-Epoxy 预分散在纺丝液中[3]，制备 PSF/MWNTs-Epoxy 杂化的纳米纤维膜，以碳纤维预浸布包覆的辊筒作为静电纺丝的接收器，通过将预浸料按照不同角度铺放于辊筒上以接收纳米纤维,来控制碳纳米管在复合材料中的取向，最终实现复合材料性能的可设计性。我们考察了MWNTs 环氧化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy 含量对PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维膜微观形貌的影响。研究成果可总结为以下两方面:1)利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备了MWNTs-Epoxy 。官能化MWNTs-Epoxy 的环氧基团接枝率为24.87%。MWNTs-Epoxy 在静电纺丝液中分散良好，且静电纺丝液的表面张力和电导率随MWNTs-Epoxy 含量的增加而提高。2)随着MWNTs-Epoxy 含量的升高，通过SEM 、TEM 照片可以看出，PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维的直径逐渐减少，通过取向红外和拉曼谱图研究发现PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy 的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy 良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维轴向位置。 图 1 5wt% MWNTs-Epoxy 含量的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维取向表征图 （a ）SEM 照片（b ）TEM 照片（c ）取向红外谱图（d ）偏振拉曼谱图 本研究为江苏省自然科学基金（BK2011227）资助 参考文献： [1] Williams JC, Starke Jr EA. Progress in structural materials for aerospacesystems. Acta Metall 2003;51(10):5775–99. [2] Ahmed K, Noor AK, Venneri SL, Donald B, Paul DB, Hopkins MA. Structurestechnology for future aerospace systems. J Comput Struct 2000;74:507–19. [3] Gang Li , Xiaolong Jia , Zhibin Huang , Bo Zhu , Peng Li , Xiaoping Yang , Wuguo Dai. Prescribed morphology and interface correlation of MWNTs-EP/PSF hybridnanofibers reinforced and toughened epoxy matrix, Materials Chemistry and Physics 134 (2012) 958-965 10μm 10μm (a) (b) (c) (d) 10μm
通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维【开题报告】
开题报告 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 一、选题的背景与意义 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维是今年来发展起来的一项新的技术，然而由于导电高分子具有不溶，不熔的特点，利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维过程中遇到了许多困难，主要的问题在于：第一，导电聚合物刚性结构的特性使得静电纺丝过程难以进行；第二，大多数关于静电纺丝制备导电聚合物纤维的研究和应用仅仅处于实验室阶段，因此，必须通过更加深入的研究来探索静电纺丝技术制备聚合物纤维的最科学、最有效的方法，这将作为一个刺激，来实现在工业中大规模生产可控、可重复利用的静电纺丝聚合体纤维。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 综述利用静电纺丝技术制备导电聚合物纳米纤维的方法及相应的导电聚合物纤维的用途，综合对比各种方法的优缺点。 制备聚2乙烯基吡啶纳米纤维，利用它作为模板制备聚吡咯纳米纤维，尝试新的合成导电聚合物纳米纤维的方法。 三、研究的方法与技术路线： 合成聚2乙烯基吡啶，将2-乙烯基吡啶在引发剂存在聚合，产生聚2-乙烯基吡啶。 将聚2-乙烯基吡啶同氯金酸混合后，通过静电纺丝直接在高压下纺成纳米纤维。 上述纳米纤维在吡咯蒸汽中进行气相聚合，制备成核壳结构的聚吡咯纳米纤维。四、研究的总体安排与进度： 2010.07.08至2010.07.11：翻译文献，熟悉实验流程，设计实验步骤； 2010.07.12至2010.08.10：通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维；2010.11.08至2010.12.25：完成文献综述，文献翻译和开题报告； 2011.04.18至2011.05.08：撰写论文，准备答辩； 2011.05.12至2011.05.19：论文答辩。 五、主要参考文献： [1].Ioannis S. Chronakis , Sven Grapenson , Alexandra Jakob . Science Direct
静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
作者简介: 李 静(1985-),女,河南人,江南大学生态纺织教育部重点实验室硕士生,研究方向:纳米材料和锂离子电池材料;乔 辉(1982-),男,山东人,江南大学生态纺织教育部重点实验室副教授,博士,研究方向:新能源材料等,本文联系人;魏取福(1964-),男,安徽人,江南大学生态纺织教育部重点实验室教授,博士生导师,研究方向:功能纤维材料。基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(JU SRP11102),江苏省自然科学基金(BK2010140) 静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维 李 静,乔 辉,魏取福 (江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡 214122) 摘要:用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PA N)/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,经预氧化、高温炭化,制备用作锂离子电池负极材料的碳纳米纤维(CN F)。透射电子显微镜(T EM )和比表面积分析发现:制备的CN F 具有多孔结构,比表面积达到572 9m 2 /g,平均孔径为33 6nm 。以50mA/g 的电流在0 01~3 00V 循环,制备的多孔CN F 的首次放电比容量为333 3mA h/g,第20次循环的可逆比容量为231 8mA h/g,充放电效率近90%。关键词:静电纺丝法; 碳纳米纤维(CN F); 多孔结构; 负极材料; 充放电性能中图分类号:T M 912 9 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2011)03-0132-03 Porous carbon nanofibers prepared by electrospinning technique LI Jing,QIAO Hui,WEI Qu fu (Key Labor atory of Eco T ex tiles of M inistry of Education ,College of T ex tiles&Clothing, J iangnan University ,Wux i,Jiangsu 214122,China) Abstract:Polyacr ylonitrile (PAN)/poly(methyl methacry late)(PM M A)co mposite nanofibers w er e prepared by electrospinning technique,then porous carbon nanofibers (CNF )as anode material for L i ion batter y were obtained by pr e ox idation and high tem perature carbonat ion T he analyses of transmission electron microscopy (T EM )and specific surface area showed that the as pre pared CNF had por ous structure,the specific sur face area was 572 9m 2/g,t he mean pore size was 33 6nm When cycled in 0 01~3 00V with the curr ent of 50mA /g,the initial specific discharg e capacity of the as pr epar ed porous CN F w as 333 3mAh/g,the r ev ersible specific capacity was 231 8mAh/g at t he 20th cycle,the charge discharge efficiency w as near 90% Key words:electrospinning ; carbon nanofibers (CNF ); porous structure; anode material; charge discharge performance 锂离子电池所用的碳负极材料,主要为石墨类材料和 低温热解碳。碳材料在首次充放电时表面会形成钝化膜,造成容量损失;且碳的电极电位与锂的很接近,当电池过充时,金属锂可能在负极表面析出,形成枝晶而引发安全问题,并导致容量降低。纳米材料,如碳纳米管(CNT )、纳米石墨、纳米合金和纳米氧化物等,已成为锂离子电池负极材料的研究重点,并有望取代碳材料用于锂离子电池[1]。 碳纳米纤维(CN F)的直径一般为10~500nm,是介于CN T 和普通碳纤维之间的准一维碳材料,具有较高的结晶取向度、较好的导电和导热性能,可用作超级电容器和锂离子电池的负极材料。L W Ji 等[2-3] 发现:CNF 作为锂离子 电池负极材料的储锂比容量达566mA h/g,首次循环的库仑效率为66%,且循环性能较好,第50次循环的可逆比容量仍有435mAh/g 。刘鸿鹏等 [4] 通过化学气相沉积(CVD )法制 备了CN F,首次嵌锂比容量达533mAh/g,第25次循环的可逆比容量保持在274mAh/g 。 静电纺丝法的工艺简单、成本低,是目前唯一可制备连续纳米级碳纤维的方法[5]。本文作者采用该方法,先制备聚丙烯腈(PAN )/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,再经预氧化、高温炭化,得到多孔CN F 。 第41卷 第3期2011年 6月电 池BAT T ERY BI MO NT HL Y Vol 41,No 3Jun ,2011
超疏水静电纺丝纳米纤维
超疏水静电纺丝纳米纤维 摘要：这篇文章介绍了最先进的静电纺丝纳米纤维的科技发展，以及它在自清洁簿膜、智能响应材料和其他相关领域的应用。超疏水自清洁，也成为“荷叶效应”，就是利用表面化学结构和拓扑学的正确结合，在表面形成了一个非常大的接触角并且通过重力使水带着表面上的污垢、颗粒以及其他污染物离开表面。本文简单介绍了超疏水自清洁的理论和静电纺丝过程中的基本原则，为了生成超疏水自清洁表面还讨论了静电纺丝过程的各种参数，这些参数可以有效的控制疏水实体的多渗透性结构的粗糙度，静电纺丝在纳米尺寸上的主要原则以及在通过静电纺丝合成一维材料时存在的困难也被完全的隐藏。另外，本文还比较了不同的静电纺丝纳米纤维的超疏水性能以及它们的科技应用。 关键字：超疏水静电纺丝纳米纤维性能应用展望
Superhydrophobic electrospun nanofibers Abstract: This review describes state-of-the-art scientific and technological developments of electrospun nanofibers and their use in self-cleaning membranes, responsive smart materials, and other related applications. Superhydrophobic self-cleaning, also called the lotus effect, utilizes the right combinations of surface chemistry and topology to form a very high contact angle on a surface and drive water droplets away from it, carrying with them dirt, particles, and other contaminants by way of gravity. A brief introduction to the theory of superhydrophobic self-cleaning and the basic principles of the electrospinning process is presented. Also discussed is electrospinning for the purpose of creating superhydrophobic self-cleaning surfaces under a wide variety of parameters that allow effective control of roughness of the porous structure with hydrophobic entities. The main principle of electrospinning at the nanoscale and existing difficulties in synthesis of one-dimensional materials by electrospinning are also covered thoroughly. The results of different electrospun nanofibers are compared to each other in terms of their superhydrophobic properties and their scientific and technological applications. Key words: superhydrophobic; electrospinning; nanofibers; properties; applications; outlook
静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用
综述与专论 合成纤维工业,2009,32(4):48CH I NA SYNTHETI C FI BER I NDUSTRY 收稿日期:2008 09 17;修改稿收到日期:2009 05 27。作者简介:董晓英(1956 ),教授。从事纳米材料的教学和科研工作。 静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 董晓英1 董 鑫 2 (1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条 件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。 关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用 中图分类号:TQ 340.64 文献识别码:A 文章编号:1001 0041(2009)04 0048 04 静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接 收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。1 静电纺丝及其工艺条件 静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专利[1] ,发明人For mhals 用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,For mha ls 改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺丝或复合纺丝 [2] 。 1969年,英国Taylor [3] 研究了强电场作用下 水/油界面的形成。首先,从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响,建立了锥状物模型,即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Tay lor 锥。Tay l o r 还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为98.6 。 静电纺丝纤维喷出针头后,在空中弯曲回转,最后落在接收器上,给人多股纤维同时喷出的印 象。阿克隆大学的Dosh i 等[4] 假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥,克服表面张力而分裂成若干股纤维,落到接收器上形成无纺纤维毡。但是 麻省理工学院的Shin 等[5]和以色列的Yari n [6] 等通过高速成像,只有1股纤维从喷丝口喷出,然后在电场力作用下快速弯曲旋转,给人以很多股纤维的假象。1971年,杜邦公司的B au m garten [7] 研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在N,N 二甲基甲酰(D M F)胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺 丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。 1.1 电压 足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小,则产生静电喷射,形成独立的珠状物。随着电压的增加,逐渐形成串珠结构,电压进一步增大,串珠逐渐减少,直至形成连续稳定 的纤维。Deitzel 等[8] 研究了聚氧化乙烯(PEO )/水体系中电压对喷丝口Tay lor 锥表面的影响。结果表明,当电压较小时,Tay lor 锥形成于针头外悬挂液滴的表面;随电压增加,液滴体积逐渐变小,直至液滴和Tay lor 锥相继消失。同时,纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此,一般适宜电压为10~25kV 。1.2 流速 流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。M ege lski [9] 等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯/四氢呋喃(THF)体系的影响,随着流速增大,纤维直径增加,纤维表面的孔径也增大。同时,流速增大也促进了更明显的串珠结构,其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为1~3mL /h 。1.3 接收距离 接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的 纤维形貌。Jaeger [10] 等研究了PEO /水溶液的静电纺丝行为,随着接收距离由1c m 增大到3.5c m,纤维直径从19 m 下降到9 m 。根据M egel
静电纺纳米纤维的工艺原理_应用及发展前景
静电纺纳米纤维的工艺原理、应用及发展前景 付文丽,康为民,程博闻,李全祥 (天津工业大学,天津 300160) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1nm 。本文介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺纳米纤维的应用及其发展前景。 关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝 中图分类号:TQ340.64 文献标识码:A 文章编号:1009-265X (2009)01-0051-04 收稿日期:2008-05-10 作者简介:付文丽(1983- ),女,山东青岛人,硕士研究生, 主要从事纺织新材料新产品的研究开发。 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形,最终得到纤维状物质,从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性,例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高,因而具有广泛的应用。1 静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代,Formals A [123]就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝, 但是直到近几年,由于对纳米科技研究的迅速升温,激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。111 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique ) 是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形, 经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 图1 静电纺丝设备示意图 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分:静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC/DC 和AC/DC 两种类型,实验中多用DC/DC 电源。液体供给 装置是一端带有毛细管的容器(如注射器),其中盛有高分子溶液或熔体,将一金属线的一端伸进容器中,使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板,可以是 金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地,作为负极,并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高,液体流量控制系统也被渐渐的采用,这样可以将液体的流速控制得更准确。 电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用,聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩,均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时,毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形,称为Taylor 锥。进一步增加电场强度,是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值,此时带电射流从Taylor 锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程,变得很细很长。同时溶剂挥发,得到带电的聚合物纤维。112 静电纺制备纳米纤维的装置 目前尚无用于实验的定型的静电纺丝机生产和出售,各研究单位均按照其主要的基本构件(高压静电发生器、进样器、收集器3部分),根据各自的条件自行安装。 Larrondo L 和Manley [4]设计出用于熔体的静 电纺丝机,如图2。 其中的主要部件分别为:1不锈钢圆筒;2不锈钢壁;3传热夹套;4加热管;5保温层;6热电偶;7不锈钢圆筒下口;8不锈钢毛细管;9毛细孔;10石棉板;11活塞;12液压泵;13金属压板;14喷丝孔;
静电纺丝法制备SrTiO_3多晶微纳米纤维
Vo.l 28 高等学校化学学报No .72007年7月 CHEM I CAL J OURNAL OF CH I NESE UN I VERSI T I E S 1220~1222 静电纺丝法制备SrTi O 3多晶微纳米纤维 周险峰1,2,赵 勇2,曹新宇2,薛燕峰1,许大鹏1,江 雷2,苏文辉1 (1.吉林大学物理学院,长春130012;2.中国科学院化学研究所分子科学中心,北京100080) 摘要 应用静电纺丝法并结合So l g el 技术制备了SrT i O 3微纳米纤维.SE M,TEM 及电子衍射分析结果显示,于900 煅烧获得的纤维直径分布在50~400n m 之间,其典型直径约为280n m.XRD 分析结果表明,纤维由立方结构的S r T i O 3晶粒组成,平均晶粒尺寸为33n m. 关键词 静电纺丝;溶胶 凝胶;钛酸锶(Sr T i O 3);超细纤维 中图分类号 O 614 文献标识码 A 文章编号 0251 0790(2007)07 1220 03 收稿日期:2007 03 19. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:30370406)资助. 联系人简介:许大鹏(1960年出生),男,博士,教授,博士生导师,主要从事稀土纳米材料研究.E m ai:l xudp@jlu .edu .cn 钛酸锶(Sr T i O 3)为典型的ABO 3钙钛矿型氧化物,由于具有高介电常数、低介电损耗和热稳定性好等优点,在电子、机械和陶瓷工业领域中已得到广泛应用[1].近年来,Sr T i O 3纳米材料的制备和研究 已引起了人们的极大兴趣,但已有研究主要集中于纳米粉体和纳米薄膜上 [2,3],而具有准一维结构的Sr T i O 3微纳米纤维的制备及研究还未见报道. 作为一种制备微纳米超细纤维重要而简单的方法,静电纺丝技术被应用于无机材料微纳米纤维的制备始于2002年[4],至今人们已制备出20多种无机材料超细纤维[5~7].当前国际上微米/纳米系统的研究热点是纳米材料的可控调变制备及其在纳电子学中的应用,通过制备尺寸、形貌和结构都可控的微米/纳米结构单元,进而研究组装分子电子器件、纳米结构传感器等新型器件.因此,制备具有准一维结构的Sr T i O 3微纳米电子陶瓷纤维,在纳电子学研究方面具有重要的应用价值.本文应用静电纺丝法并结合溶胶 凝胶(So l ge l)技术,制备了Sr T i O 3多晶微纳米纤维. 1 实验部分 1.1 试剂与仪器 乙酸锶[Sr(C H 3C OO )2 1/2H 2O )],分析纯,A lfa A esar 公司;钛酸四丁酯[T i(OC 4H 9)4],化学纯,北京化学试剂公司;聚乙烯吡咯烷酮(P VP), A.R.级,ALDR I C H 公司,平均分子量1300000;无水乙醇(C 2H 5OH )和冰醋酸(C H 3COOH )均为分析纯,北京化学试剂公司. JEOL JS M 6700F 型扫描电子显微镜(SE M );J EOL 100CX 型透射电子显微镜(TE M );R i g aku D /m ax 2500型X 射线衍射仪(XRD);STA 409PC 型差热 热重分析仪(TG DSC ,NETZSC H 公司). 1.2 前驱体溶胶的配制 在搅拌下,将0 54g 乙酸锶缓慢地加入到10mL 质量分数为10%的PVP 乙醇溶液中,再滴入1mL 冰醋酸,然后把0 85g 钛酸四丁酯边搅拌边滴入到上述溶液中,在室温下搅拌2h,得到前驱体溶胶. 1.3 静电纺丝 将前驱体溶胶加入到由玻璃注射器制成的纺丝器中(纺丝喷头内径为0 8mm ),用一根插入前驱体溶胶中的铜丝作阳极,铝箔作阴极,铝箔与水平面成30!角,阳极和阴极之间的垂直距离为15c m,在18kV 电压下静电纺丝,在铝箔上即得到无序排列的复合超细纤维. 1.4 Sr T i O 3微纳米纤维的制备 将从铝箔上取下来的复合纤维放入马弗炉中,以2 /m i n 的速率升温,在600,800和900 下分
静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展
静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展 摘要静电纺丝制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，在重金属离子吸附领域有着广泛的应用前景。 本文在简要阐述纳米纤维膜吸附重金属离子机理的基础上，主要从有机纳米纤维膜、有机-无机复合纳米纤维膜、及无机纳米纤维膜等3个方面，介绍了近年来静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能及其相关的研究进展，并针对目前纳米纤维膜吸附重金属离子应用研究中存在的一些问题给出了建议，为纳米纤维膜吸附重金属离子的后续研究提供参考。 关键词静电纺；纳米纤维；吸附；重金属离子 0 引言 随着工业化进程的不断加快，由金属冶炼及化工生产废水排放等人为因素造成的重金属离子污染水源问题日益严峻，严重威胁到人类的健康[1,2]。为此，相关科研人员对重金属离子的污染问题进行了深入的研究，采取了多种措施对受污染的水体进行处理和修复。目前，已报道的去除水体中重金属离子的方法有：反渗透[3]、离子交换[4]、电化学沉降[5]、氧化还原[6]、生物处理及吸附技术[7]。其中，吸附技术因易操作、高效、可重复利用、成本低而备受关注[8,9]。而比表面积大的多孔材料对重金属离子具有良好的吸附效果[2]，通过静电纺丝制备的纳米纤维膜恰好具有高比表面积、高孔隙率以及内部连通的开孔结构等突出优势，从而使其在重金属离子的吸附分离方面表现出较好的吸附性能和循环利用性。 1纳米纤维膜吸附重金属离子机理 同大多数吸附材料的原理相同，纳米纤维膜对重金属离子的吸附也是一种传质过程，重金属离子通过物理作用或化学反应从液相转移到纤维膜上[10]。如图1所示[11]，纳米纤维膜对水溶液中重金属离子的吸附主要为物理吸附和化学吸附：其中物理吸附主要是通过静电相互作用（带正电荷的重金属离子与带负电基团之间的静电相互作用，约2～4个负性基团结合一个重金属离子），将重金属离子吸附到纤维表面。而化学吸附则是纤维表面的功能基团对重金属离子的螯合吸附作用（由纤维膜上的功能基团提供孤对电子与重金属离子形成配位共价键）。由于纳米纤维膜具有较高的比表面积，从而使纤维表面暴露出更多的功能基团，明显增加了纤维表面对重金属离子的吸附位数量，显著提高了纤维材料对重金属离子的吸附分离性能。 图 1 纳米纤维吸附重金属离子原理示意图 Fig.1 The mechanism of nanofiber mats for heavy metal ion adsorption 2纳米纤维膜吸附重金属研究进展 由于静电纺纳米纤维膜在重金属离子吸附方面展现出的优异性能，近年来，相关的科研人员进行了大量制备和改性的研究工作，本文分别从有机纳米纤维、有机-无机复合纳米纤维、无机纳米纤维等方面进行简要阐述。 2.1 有机纳米纤维 2.1.1 天然高分子纳米纤维
静电纺丝制备纳米纤维及其工业化研究进展
静电纺丝制备纳米纤维及其工业化研究进展* 杨大祥,李恩重,郭伟玲,王海斗,徐滨士 (装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室,北京100072) 摘要 针对静电纺丝技术从实验室走向工业化还存在产率低的问题,重点分析了为提高生产效率而采用的多针头纺丝和无针头纺丝等批量化生产方法,简述了静电纺丝的基本原理和实施方法,介绍了静电纺丝制备聚合物纤维、无机物纤维、同轴及中空纤维的情况和特点。随着对静电纺丝方法、设备、工艺和材料研究的深入,通过对高压静电场分布的控制采用多喷头组合方式和无针滚筒方式将成为产业化制备纳米纤维的有效手段。通过控制高压电场分布利用提高效率后的单孔纺丝方法制备出了长、宽、厚分别为1000mm 、350mm 、1.28mm 的芳纶1313纳米纤维布。最后对静电纺丝工业化规模制备纳米纤维材料进行了展望。 关键词 静电纺丝 纳米纤维 工业化 Research and Industrial Development of Nanofibers Prepared by Electrospinning YANG Daxiang,LI Enzhong,GU O Weiling,WA NG Haidou,XU Binshi (N ational K ey L aborato ry for Remanufacturing ,A cademy of A rmo red For ce Eng ineer ing,Beijing 100072)Abstract A cco rding to the pr oblems that the electro spinning techno lo gy t ransfer f rom the laborat or y to the in -dustria lizatio n,the principle and methods of electro spinning ar e o ut lined,the nanofibers of polymer and ino rg anic ma -terials produced by electr ospinning ,including coax ial and hollo w fibers ar e intr oduced,and then the met ho ds of impr o -ving t he pro ductio n efficiency o f mult-i needles spinning and needless spinning are analyzed.W ith the develo pment o f the met ho d,equipment,technique and mater ials o f electro spinning,both the mult-i needles w ith high -v oltage contro -l ling and the needleless w ith ro ller modes w ill be the mo st effective methods of pr oducing nano fibers thro ugh electr o -spinning.A ramid -1313nano -fiber non -wo ven fabrics with leng th,width and thickenss o f 1000mm,350mm,1.28mm,respect ively have been produced v ia mo dif ied sing le needle electr ospinning method.At last,industr ialized nano fibers produced by electr ospinning go es to pr actice in China is in dir e need and with gr eat pr ospects. Key words elect rospinning ,nanofiber ,industr ializat ion *国家973项目(2007CB607601);解放军总后勤部十二 五预研资助项目 杨大祥:男,1977年生,博士,讲师 E -mail:yang dax iang@hot https://www.360docs.net/doc/4515680958.html, 1 静电纺丝简介 静电纺丝是使带电荷的溶液或熔体在静电场中流动或变形,经溶剂蒸发或熔体冷却固化得到纤维状物质的一种过 程,简称电纺。根据被纺材料状态的不同可分为溶液静电纺丝和熔融静电纺丝。静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同,传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维,而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm [1-3]。同时,静电纺丝的装置和原理都比较简单,典型静电纺丝装置的示意图如图1所示,主要由高压电源、计量泵、纺丝液容器、喷丝头、收集器等部件组成。静电纺丝是通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。在静电纺丝工艺过程中,通过对纺丝溶液或熔体施加几千至几万伏的高压静电,在喷丝头和接地的纤维收集器间将产生一个强大的电场力。 电场力施加于液体表面时将在纺丝液表面产生电流,根据相同电荷相互排斥的原理,致使电场力与液体表面张力方向相反,产生一个向外的力。如果电场力等于纺丝溶液或熔 体的表面张力,则带电液滴就会悬挂在喷丝头末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在喷丝头末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是T aylor 锥;当电场力超过一个临界值后,它将克服液滴的表面张力形成射流。射流在从喷丝头末端向接收装置运动的过程中会出现加速现象,导致射流在电场中的拉伸,最终在接收装置上形成纳米纤维。 自1934年A.Form hals 报道了其聚合物超细纤维的静电纺丝装置后,静电纺丝的研究进展非常缓慢。直到最近10年,随着纳米材料技术的飞速发展,静电纺丝作为目前所知最有望实现工业化生产连续纳米纤维的有效方法之一,得到科学界和产业界的广泛研究。上百种材料通过静电纺丝已经被制成了纳米纤维,纺丝原料的设计与控制、纺丝工艺的优化、静电纺丝原理和模型建立、纳米纤维的组成、结构和性能分析、纳米纤维在过滤材料、生物医学、结构-功能一体化和高性能复合材料等领域的应用成为前一阶段研究的热点。然而,静电纺丝技术要真正走向实用,必须首先实现静电纺
静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展_李蒙蒙
基金项目:国家自然科学基金(20904037)、江苏省自然科学基金(BK2009141); 作者简介:李蒙蒙(1988-),男,硕士研究生,主要从事静电纺丝制备纳米材料及其性质等方面的研究; ＊通讯联系人,E -mail :dy yang2008@sinano .ac .cn . 静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展 李蒙蒙1,2,朱 瑛1,仰大勇1＊,蒋兴宇3,马宏伟1 (1.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215125; 2.青岛大学物理科学学院,青岛 266071; 3.国家纳米科学中心,北京 100190) 摘要:静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技术,由于设备和实验成本低、纤维产率高、制 备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等独特的优势,近些年来备受关注。静电纺丝的应用是静电纺丝研究 的最基本动力和终极目标,因此成为研究者一直努力的方向。为了研究静电纺丝应用的研究现状和主要发展 方向,本文综述了静电纺丝纳米纤维薄膜几个主要的应用领域,包括组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应 用、生物芯片和催化剂负载等,并展望了未来可能的发展方向。 关键词:静电纺丝;纳米纤维薄膜;应用进展 引言 静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法,其制备的纳米纤维薄膜通常是以无纺布形式存在的。静电纺丝技术具有一些突出的优点: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比较大(纤维直径在几十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。这些优点使静电纺丝纳米纤维薄膜在许多领域具有广泛的潜在应用 [1～6]。静电纺丝的原理和设备如图1(a )所示[7],高压电源提供高压,正极接在医用注射器的不锈钢针头上, 负极(接地)接在铝箔上。电压一般在5kV 到30kV 之间,针头到收集极间的距离(工作距离)一般在5cm 到20cm 之间。实验时,将纺丝溶液装入注射器内,并加上高压。由于高压电场的作用,在针头处形成“泰勒锥”。溶液在高电压作用下形成射流,并经过多次分裂,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,如图1(b )&(c )所示 。 图1 (a )静电纺丝的装置示意图及得到的聚合物纳米纤维的(b )数码照片和(c )电镜照片[7] Fig ure 1 (a )Schematic illustration of electr ospinning se t -up ;(b )Dig ital came ra imag e and (c )SEM image o f electro spun nanofiber s co llected on an aluminum fo il [7] 近年来,静电纺丝逐渐成为材料科学与纳米科技的研究热点之一,吸引着全世界的科技工作者。纵观近期已发表的相关文献,研究的内容包括以下几个方面:(1)新材料静电纺丝的制备,主要包括生物材
认识静电纺丝
静电纺丝即在高压静电下用聚合物溶液进行纺丝的过程。静电纺丝可以制备直径在几十到几百纳米的纤维，产品具有较高的孔隙率和较大的比表面积，成分多样化，直径分布均匀，在生物医学、环境工程以及纺织等领域具有很高的应用价值。 原理 将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。 当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。在细流喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。
装置 静电纺丝的装置主要由推进泵、注射器、高压电源以及接收装置组成。其中，高压电源的正极与负极分别与注射器针头和接收装置相连，而接收装置的形式也是多样化的，可以是静止的平面、高速转动的滚筒或者圆盘。纺丝的参数设置、环境条件等对纺丝过程的影响至关重要。 高聚物
目前静电纺丝技术已经可用于几十种不同的高分子聚合物，既包括聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈等柔性高聚物的静电纺丝，也包括聚氨酯弹性体的静电纺丝以及液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等的静电纺丝。 影响因素 静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为溶液性质，如黏度、弹性、电导率和表面张力；控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之间的距离；环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。 溶液黏度对纤维性能的影响 同轴静电纺丝
同轴静电纺是在静电纺的基础上改造而来，其基本原理是在两个内径不同但同轴的毛细管中分别注入芯质和壳质溶液，二者在喷头末端汇合，在电场力的作用下固化成为复合纳米纤维。 同轴静电纺丝解决了纺丝时纺丝液必须是均一体系的缺陷，所制备的同轴纤维在均匀性、连续性上都优于其它方法得到的纤维。采用同轴静电纺丝的方法可以制得中空纤维和纳米复合纤维等。 应用