熔体静电纺丝发展及应用
熔体静电纺丝发展及应用
徐阳，王肖娜，黄锋林，魏取福﹒江南大学生态纺织教育部重点实验室
摘要：静电纺丝法是制备纳米纤维的一种有效方法，得到了广泛的关注和研究。而作为其分
支之一的熔体静电纺丝是近年来才逐渐有研究报道的。虽然其装置较为复杂，纺丝过程不易调控，但其原料适用性广、无毒无污染及产品转化率高等特点，使其在过滤防护、生物医药等领域有着广阔的应用前景。本文在总结熔体电纺典型装置、工艺及聚合物的基础上，分析了熔体射流的运动规律，探讨了熔体电纺纤维的应用，并对其发展方向进行了预测和展望。
关键词：熔体电纺；装置；聚合物；纤维物化性质；应用
引言
静电纺丝是指聚合物溶液或熔体在高压电场中拉伸成纤的过程。自1902年Cooley在其申请的专利[1]中阐明溶液的静电纺丝技术以来，已经100多年了，其间备受关注，研究广泛。而熔体电纺虽然在1936年Charles Norton等的专利中就已提出[2]，但直到1981年才有相关的研究论文出现。Larrondo和Manley发表的三篇系列论文中的第一篇以聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）为原料，探究了熔体电纺的可能性，对比了溶液电纺和熔体电纺的临界电压，并对射流成丝过程进行了摄像记录[3]。此后对熔体电纺的研究依然是持续的空白。21世纪初，才真正掀起了熔体电纺的研究高潮。熔体电纺过程无毒无污染，克服了溶液电纺中溶剂残留和聚集的问题，可以弥补溶液电纺在某些对卫生、安全要求较高的领域如组织工程的应用缺陷。可能是受近年来生物工程研究热潮的推动，国内外学者都对熔体电纺展开了逐渐深入的研究。从2005年到2012年的研究论文达60余篇，并陆续有专利的申请。
熔体电纺装置
熔体电纺的装置目前均由各个研究机构自行搭建，尚无公认的成熟设备。其必要的组成部分是加热部件、给料部件、高压电源及接收部件。熔体电纺装置采取的加热方式主要有激光加热、电加热、流体加热、热风加热。电加热是最普遍的加热方式，笔者所在实验室搭建的熔体电纺装置采用的就是电加热的方式，如图1所示，使用电热圈加热，利用传感器和温控仪对熔体温度实现实时有效调控。实验中分别采用滚筒、平板作为接收装置得到的聚丙烯纤维膜的形态及其SEM 图如图1所示。
对应不同的加热方式给料部件的结构有所不同。激光电纺装置采用棒状或片状聚合物喂料；非激光加热的装置，大多采用单孔喷丝头，控制熔体流速的方法多样，但只有一部分是可以对给料速度进行定量控制的。熔体电纺的接收装置也趋于多样化，除了最常见的滚筒和平板以外，还有转盘、镊子状接收器、细胞培养皿等等[4-7]。
值得注意的是，聚合物从熔融到形成射流并最终沉积到接收装置上的整个过程，都受到温度的重要影响。如果可以通过控制射流路径上的温度进而控制射流的冷却速度，将会对纤维直径和形貌的调控产生至关重要的影响。图2为笔者实验室在提高射流路径周围空间温度的情况下得到的聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)纤维，可以看到，纤维与纤维之间产生了粘结，说明射流在沉积到接收板上的时候还没有完全冷却，这些粘结对纤维膜的形状稳定性及强力都有益处[7-9]
另外，熔体电纺中也出现了无针头的实验装置[10]及同轴熔体电纺装置[11-13]。
今后熔体电纺装置的发展趋势，除了进一步的集成化与多样化以外，也会更加注重对环境因素，如温湿度、空气流动的控制；为了提高产率，必将向多喷头或者无喷头方向发展。
纺丝聚合物及工艺过程
理论上，只要分解温度大于熔点的聚合物均可进行熔体电纺。目前通过熔体电纺实现纺丝的聚合物接近20种，尝试最多的是常规的熔体纺纤维如PP和聚酯(PET)，因具有生物相容性和可降解性而有望应用于生物医学的PLA，用于同轴熔体电纺以实现封装的相变材料等。同时，也有一部分研究者采用了共混聚合物或嵌段共聚物来探究混纺的特点。
聚合物性质和纺丝过程中的工艺参数共同决定了聚合物纤维的物化性质。
影响聚合物静电纺丝能力的两个最重要的性质是其粘弹性和电导性[14]。一旦这两个性质受到影响，必然会影响到纤维的物化性质。当熔体受力被拉伸时，必须有足够的粘度来与这个拉伸力相平衡才不会使射流断裂；但若粘度过大，则不利于熔体在电场中被牵伸变细。熔体温度是调控粘度的一个重要参数；另一种有效的方法是在聚合物中混入可降低其粘度的添加剂[15-16]，使实验在较低温度下顺利进行。在增强聚合物导电性方面，Nayak等[17]在PP中加入油酸钠/氯化钠，测试证明聚合物的导电性增强，得到纤维的平均直径比纯PP纺丝的小，且直径分布变窄。
优化工艺参数是减小熔体电纺纤维直径的有效途径之一。不同的装置和纺丝方法的主要工艺参数及其可调节范围存在着较大的差别。首先，静电压的加压方式不同，临界电压及电压范围有很大区别：电压正极加在接收板上（反纺）的临界电压一般比电压正极加在喷丝头上（正纺）大很多。目前正纺方式下加压范围为4~41kV，而反纺中这个范围为12~130kV。电压在调控纤维直径方面的作用并不统一，在各自选定的电压范围内，大部分报道中纤维的直径随电压升高而减小，有的则没有明显变化[9-10]，甚至有随电压升高纤维直径增大[18]或先减小再增大[19]的情况。纺丝距离对纤维直径的影响同样具有不确定性。喂料速度对纤维的质量、形貌和直径都有重要影响。喂料速度越小，纤维直径越细，目前最小的是Dalton小组采用的5μL/h[20]。图3为该研究小组在不同速率下纺丝得到纤维的扫描电镜图。可以看到，当速率过低时，成丝不连续，有很多颗粒出现，而当速率过高时，熔体不能得到充分冷却和牵伸，出现了图(d)
目前，还有一些研究者对对熔体电纺纤维膜进行某些形式的后处理，其中最常见的是退火处理，主要是为了改善纤维膜的热学和力学性能[17]。
射流运动规律与数学模型
无论是溶液还是熔体，在静电纺丝过程中都要先形成液滴/熔滴，在电场作用下逐渐拉成锥状并最终形成射流，射流经过一段距离的空间运动后沉积在接收器上。对于射流的空间运动，目前观察与记录到的较为普遍的一个规律是射流经历一定长度直线运动后在接近接收器时发生不规则鞭动。图4是笔者采用PLA进行熔体电纺时拍摄下的射流运动图，从图中可以清晰的看到射流在空间运动的两个不同阶段。笔者在实验中还发现，电压越大，射流下冲的速度越快，直线段运动所占的比例越大。且熔体纺射流的直线段比溶液纺的要长，这与熔体粘度较大有关。
而采用相反的加压方式时，由于电场分布发生了很大的变化，越接近接收板电场越集中，抑制了射流的鞭动，使射流运动在整个过程中几乎呈直线状态，收集到的纤维膜成小丘状，如图5所示。
对于熔体射流在电场中的运动模型，Larrondo在1981年第一个开展熔体电纺实验后就进行了相关探索[22-23]：采用硅油为模拟流体，得到了射流某一点速度的数学计算公式。Eduard等建立了非等温条件下熔体静电纺丝稳定射流段的数学模型[24]；此后，又将上述模型与Ziabichi的FIC模型结合，得出了新的数学模型，借以推断纤维微观结构信息[25]；Carroll等[26]建立的数学模型则是用来预测轴对称不稳定性出现的临界条件。
目前国内外研究大多是在探索各种单一或共混聚合物的成丝能力和特点，对成丝过程内在机理的研究还比较少。熔体电纺最终的发展方向必然是要实现纤维物化性质的有效控制。要达到这一目标不能只靠实验工艺研究，深入研究熔体在电场中的带电和运动机理，并最终得到一个可广泛适用的数学模型，是最根本的控制方法。
应用
熔体电纺有许多潜在应用领域，但目前对其应用的研究主要集中在组织工程、过滤防护和储能封装这三大方面。
组织工程的支架材料，须满足诸多条件，如纤维直径需跟细胞外基质中的原纤维直径相当，具有一定大小的孔洞，表面的化学性能要做到对细胞很好的吸附并利于细胞的分裂增殖等。熔体电纺在理论上是制造组织工程支架材料的绝佳方法。Dalton等[4-5]进行了PEO-b-PCL&PCL的熔体电纺，成功进行了纤维母细胞的培养，并提出了一个新的概念——“试管静电纺”。Karchin[27]和Kim[28]等研究小组也都利用熔体电纺纤维膜成功进行了细胞培养。
熔体电纺制得的超细纤维无溶剂残留，很适合用做过滤或防护材料。Lee等[29]将熔体电纺纤维网进行了两种处理——层压或与非织造布复合，以解决防护服防护性与热湿舒适性之间的矛盾。
Zhou等[30]将熔体电纺PLA纤维（0.8μm）直接沉积到纤维素滤材上，大幅提升了滤材对亚微米大小的粉尘颗粒的过滤效应。Cho等[31]以聚丙烯为原料，进行了高温下的溶液电纺（140℃
~170℃）和熔体电纺，并等重量沉积在聚丙烯非织造布上，赋予其出色的阻隔功能，并有望应用于电池隔膜中。
近年来纺织服装的发展趋势之一就是智能化，其实现途径之一就是利用相变材料来实现能量的储藏和释放。Jesse等[11]是最先采用熔体同轴电纺的方法来实现相变材料的封装的。尽管其采用的是熔点很低的十八烷和二十烷，但这一将熔体和溶液结合起来进行静电纺丝的全新尝试为封装提供了一种新的途径。封装不仅可以应用在储能材料上，也可应用于医药领域制作微胶囊以实现药物的传递与释放，化妆品中某些疏水性的化合物封装于亲水性外壳中增强吸收能力与作用效果[32]。这些都有望于借助熔体同轴静电纺的方式得以实现。
结论
熔体电纺作为一种制备超细纤维的重要方法，相对于溶液电纺有着独特的优势，在生物医药、过滤、封装等领域有着广阔的应用前景。目前已有数十种聚合物或混合聚合物用于熔体纺丝实验，制得的纤维直径从数百纳米到几十微米不等。多样性的熔体电纺装置使得各工艺参数对纤维物化性质的调控也具有多样性。为了保证良好的重复性并最终实现工业化生产，熔体电纺装置需要向集成化、精细化和多喷头的方向发展。对于纺丝过程内在机理的研究，目前尚未形成一定的理论体系，将是今后研究的重点之一。另外，将熔体电纺与其他纺丝方法协同应用，共同构建具有一定功能性的材料体系，是拓宽熔体电纺纤维应用的重要途径之一。
参考文献
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来源:静电纺丝进展期刊
静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 * (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 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1纳米。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,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米 纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:0367-6358(2005)05-313-04 Electrospinning Technique and Its Application SHI Q-i song, YU Jian -xiang, GU Ke -zhuang, MA Chun -bao, LI U Ta-i qi * (De partment of Mate rial Scie nce and Enginee ring ,Be ijing Inst itute o f Petro -c he mic al Tec hnology ,Bei j ing 102617,China) Abstract :Electrospinning is a new technique,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper,the theory of electrospinning technique,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique,such as the preparation of micro nano tubes with controlled lengths and super -purification filtering materials,was reviewed. Key words :nanometer material;nanofiber;electrospinning;application 收稿日期:2003-11-14;修回日期:2004-01-12 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR -016002)作者简介:师奇松(1977~),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E -mail:liutaiqi@https://www.360docs.net/doc/71695423.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的方法 [1-3] 。 1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用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 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管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Taylor 锥。当电场力
静电纺丝技术的研究
TiO2纳米纤维薄膜的制备及其光催化研究杭州师范大学材料与化学化工学院应化081班 应用化学专业林洁指导老师：叶映雪 摘要二氧化钛是对光催化非常有用的最好半导体光催化剂中的一种。在这篇文献中，我们通过快速淬灭的静电纺丝处理过程来制备二氧化钛纳米纤维薄膜。制备的薄膜由连续的并且多孔的锐钛矿二氧化钛纳米纤维组成，该纳米纤维的直径大小为60-115nm。同时，我们得到了一种最佳的淬灭方法。光催化测量研究表明，锐钛矿TiO2纳米纤维薄膜的光催化效率为72%，这远远高于锐钛矿TiO2薄膜的光催化效率（44%）。我们认为，大的而且特殊的表面积大大地提高了光催化反应性能，同时，较好的形状保留特性使其具有了很好的恢复性和实用性能。在这里，我们将讨论其对环境净化的潜在应用。 关键词纤维技术静电纺丝纳米材料纳米纤维光催化活性 1.引言 由于二氧化钛具有很高的光活性、久耐光性、化学和生物惰性、机械稳固性和价格低廉等优点，其过去常常被认为是可作为光催化[1]的最好半导体光催化剂中的一种。由于光催化反应主要发生在催化剂的表面，高的表面积和体积比对于增加分解速率具有非常重要的意义。TiO2纳米粒子和纳米晶状薄膜已经展示了非常高的光催化活性[2,3]。就这些形式的TiO2而言，虽然已经取得了很大进展，但是纳米粉末具有很低的恢复性和回收利用性限制，纳米薄膜具有很小的接触面积，故此将其用于商业用途还存在着很大瓶颈。纳米纤维有望解决这些问题，因为其结合了纳米粉末和薄膜两者的特点，如连续性和容易制备成多孔透气的纳米纤维薄膜，同时又是由纳米晶体构成的[4]。然而，据我们所知，先前的研究主要聚焦于利用静电纺丝制备技术制备TiO2纳米纤维[5,6]，虽然在250nm TiO2纤维[16]方面已经做了很多工作，但是对于直径小于100nm的TiO2纳米纤维的光催化性质却只有非常少的经验研究。 制备TiO2纳米粉末[7,8]\、纳米管[9]和纳米线[10]的方法有很多种，但是用于制备TiO2纳米纤维却仅仅只有几种，如静电纺丝技术[5]\、水热法[11]等等。其中，静电纺丝技术可用于制备直径从几十到几百纳米[12]连续变化的纤维方面，而且已经成为了一种成熟的方法，从而很容易得到用于水净化的多孔透水纳米纤维薄膜。 在这篇文献中，通过使用快速淬灭过程的静电纺丝处理技术以制备TiO2纳米纤维纤维
静电纺丝法简介
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕士生课程论文 题目静电纺丝法简介 学生姓名张辉华 学号133511018 指导教师秦毅红 学院冶金与环境学院专业冶金工程 完成时间2014.5.27
静电纺丝法简介 摘要：静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝，作为一种新颖的纳米纤维制备方法，具有许多一般纳米纤维制备法没有的优点，在国内外一直引起广泛的关注。本文主要是介绍了静电纺丝的基本原理以及研究重点，同时简要地介绍了此方法在电池材料一起其他材料上的应用。 前言 静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。静电纺丝技术在1934年首先由Formhals[1]提出, 随后的相当长一段时间又有多项专利出现。近年来，随着纳米材料研究的兴起，人们发现由电纺制得的纤维的直径可以达到纳米级，使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[2]。目前, 主要是从事材料、化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝。 1 静电纺丝实验装置与基本原理 1.1 电纺过程 所需设备高压电源，溶液储存装置，喷射装置( 如内径 1 mm 的毛细管) 和收集装置( 如金属平板、铝箔等) 。图1为传统的单纺装置。 图1 经典的静电纺丝装置示意图
高压静电场(一般在几千到几万伏) 在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差，使毛细管内聚合物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体) 克服自身的表面张力和粘弹性力，在喷丝头末断呈现半球状的液滴。随着电场强度增加，液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过一临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流(一般流速数m/s)，在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者循螺旋形路径行走，伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化，终落在收集板上形成纤维，直径一般在几十纳米到几微米之间。 除去传统的单纺丝还有其他的一些纺丝方式，如同轴静电纺丝，共轴复合纺丝就是将两种不同聚合物溶液预先不经混合, 而是各自在电场力的驱动下共轴 喷射经过同一个毛细管或注射器针头出口，得到连续的复合纤维的方法，该纤维具有核-壳结构。共轴复合纺丝设备如图2(a)所示，核-壳结构纤维如图2(b)所示。 图2 同轴纺丝和复合纤维形貌 同轴纺丝能直接接一步制备复合微/纳米线，可以制备医用复合纳米线、空心纳米管，这种方法制备出来的材料品质要明显优于涂覆法制备的材料。此外可以将碳纳米管与挥发性溶剂混合液用作内纺液, 将聚合物溶液用作外纺液, 利用溶剂的挥发性就可以携带碳纳米管渗透到外层聚合物中, 形成连续的碳纳米管增强 的复合纳米纤维。
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熔体静电纺工艺及研究现状* 郭莎莎王洪柯勤飞靳向煜 （东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620） 摘要：介绍了熔体静电纺工艺的特点，与溶液静电纺工艺进行了优劣势比较；分析了熔体静电纺工艺的影响因素；阐述了近年来熔体静电纺工艺的研究进展，指出目前熔体静电纺技术尚未成熟，降低聚合物熔 体黏度以获得直径更小的纤维是其主要的技术难题。 关键词：熔体静电纺，溶液静电纺，纳米纤维，研究现状 中图分类号：TQ340.649；TS102.64文献标识码：A文章编号：1004－7093（2010）07－0001－05 1静电纺丝 1.1溶液静电纺 溶液静电纺（S-ESP）工艺是高分子纺丝溶液 在高压电场作用下，溶剂挥发，聚合物固化制得纳 米纤维的方法。纺丝溶液在高压作用下形成泰勒 （Taylor）锥而拉长被牵伸，纺丝过程中纺丝液射流 在空气中运行，溶剂挥发，射流得以加速与伸长，使 聚合物纤维随机沉积在接收装置上，形成静电纺材 料［1-3］。S-ESP纺丝设备示意见图1［4］。 1.2熔体静电纺 熔体静电纺（M-ESP）是指聚合物加热熔融后，熔体在高压电场下，受电场力作用得以牵伸获得聚合物纤维材料的工艺。在静电纺丝之前，先要将聚合物加热至熔融状态，制得黏度适中的纺丝熔体。在静电纺丝过程中，注射器尖端的聚合物熔体受电场影响，在熔体表面形成电荷，受电荷斥力作用，产生与表面张力相反的电场力，随着电场强度的增大，注射器尖端纺丝液半球面结构被拉长，形成Taylor锥。当电场力达到一定值后，电场力克服表 *高等学校学科创新引智计划资助项目（B07024） 收稿日期：2010－06－18 作者简介：郭莎莎，女，1985年生，在读博士研究生。主要研究方向是静电纺血液过滤材料的应用。 图1S-ESP设备示意 面张力突破Taylor锥形成带电射流。M-ESP纺丝设备示意见图2［5］。近年来有关静电纺丝的研究主要围绕S-ESP进行，事实上M-ESP早在1981年便已由Larrondo和Manley试纺成功，但所获得的聚丙烯纤维材料直径高达50μm［6］。 2M-ESP与S-ESP的对比分析 2.1M-ESP的特点 与S-ESP相比，M-ESP工艺及最终纤维的特点主要表现在以下四个方面：①S-ESP纺丝液黏度较低，M-ESP纺丝熔体黏度高；②S-ESP牵伸程度高，纺丝过程中溶剂挥发，使表面电荷密度增大，出现弯曲非稳定性，纤维分裂变细，而M-ESP由于纺丝 — 1 —
静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 3 (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 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1纳米。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,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米Π纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:036726358(2005)052313204 Electrospinning T echnique and Its Application SHI Qi 2s ong , Y U Jian 2xiang , G U K e 2zhuang , MA Chun 2bao , LI U T ai 2qi 3 (Department o f Material Science and Engineering ,Beijing Institute o f Petro 2chemical Technology ,Beijing 102617,China ) Abstract :E lectrospinning is a new technique ,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper ,the theory of electrospinning technique ,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique ,such as the preparation of micro Πnano tubes with controlled lengths and super 2purification filtering materials ,was reviewed. K ey w ords :nanometer material ;nanofiber ;electrospinning ;application 收稿日期:2003211214;修回日期:2004201212 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ 00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR 2016002)作者简介:师奇松(1977～),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E 2mail :liutaiqi @https://www.360docs.net/doc/71695423.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上 的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的 方法[1-3] 。1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用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 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不 同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管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
静电纺丝技术及其研究进展_杨恩龙
静电纺丝技术及其研究进展*杨恩龙 王善元 李 妮 赵丛涛 (东华大学纺织学院,上海,201620) 摘 要:静电纺丝是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法。概述了静电纺丝技术及其发展历程,静电纺丝射流的稳态和非稳态的研究成果。介绍了静电纺丝机、静电纺丝技术的新进展及静电纺纳米纤维膜的应用。最后指出静电纺丝的研究方向。 关键词:静电纺丝,纳米纤维,进展 中图分类号:TQ340.6;TS176 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2007)08-0007-05 近几年来,由于纳米材料研究的迅速升温,激起了人们对静电纺丝(又称电纺)进行深入研究的浓厚兴趣。和拉伸、相分离等方法相比,静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。静电纺纳米纤维的发展历程见表1。 1 静电纺丝技术 1.1 静电纺丝的基本原理 使聚合物溶液或熔体带上高压静电,当电场力足够大时,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流拉伸细化,同时弯曲、劈裂,溶剂蒸发或固化,沉积于基布上形成纳米纤维膜。 1.2 静电纺丝的影响因素 静电纺丝的影响因素列于表2。 1.3 静电纺丝的优缺点 静电纺丝法简单、易操作。但是有如下缺点:第一,静电纺丝难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维;第二,目前静电纺丝机的产量很低;第三,静电纺纳米纤维的强度较低。 2 静电纺丝机 2.1 喷丝头与收集板垂直排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板垂直排布(立式)的静电纺丝 *国家自然科学基金资助项目(10602014) 收稿日期:2006-10-26 作者简介:杨恩龙,男,1980年生,在读博士研究生。主要从事静电纺纳米纤维的研究工作。 表1 静电纺丝的发展历程 年 份发 展 历 程 1934 Fo r mha ls申请了制备聚合物超细纤维的 静电纺丝装置专利[1] 1966 S i m ons申请了由静电纺丝法制备超薄、 超细非织造膜的专利[2] 1981 L arrondo等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔 融静电纺丝的研究[3] 1995 R eneker研究组开始对静电纺丝进行研 究。静电纺丝迅速发展[4] 1999 Fong等对静电纺丝纳米纤维串珠现象及 微观结构作了研究[5~6] 2000 Spivak等首次采用流体动力学描述静电 纺丝过程,并且提出了静电纺丝的工艺 参数。R eneker等研究了静电纺丝过程 的不稳定性[7~8] 2003 全面系统地研究静电纺丝超细纤维微观 形貌的影响因素、表征、过程参数的改 进,以及静电纺丝制取纳米纤维后通过 煅烧制备无机氧化物超细纤维等 2004~2006 开发静电纺纳米纤维的原料。多组分聚 合物的静电纺丝。静电纺丝和其他方法 结合开发新型纳米纤维。捷克利贝雷茨 技术大学与爱勒马可(EL M ARCO)公司 合作生产的纳米纤维纺丝机 纳米蜘蛛 问世 机[9],主要用于静电纺丝的基础研究。 2.2 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机(卧
静电纺丝技术的工艺原理及应用
静电纺丝技术的工艺原理及应用 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就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝，但是直到近些年，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。 1.1 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。 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IX；／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，
熔体静电纺丝发展及应用(魏取福)
熔体静电纺丝发展及应用 徐阳，王肖娜，黄锋林，魏取福﹒江南大学生态纺织教育部重点实验室 摘要：静电纺丝法是制备纳米纤维的一种有效方法，得到了广泛的关注和研究。而作为其分 支之一的熔体静电纺丝是近年来才逐渐有研究报道的。虽然其装置较为复杂，纺丝过程不易调控，但其原料适用性广、无毒无污染及产品转化率高等特点，使其在过滤防护、生物医药等领域有着广阔的应用前景。本文在总结熔体电纺典型装置、工艺及聚合物的基础上，分析了熔体射流的运动规律，探讨了熔体电纺纤维的应用，并对其发展方向进行了预测和展望。 关键词：熔体电纺；装置；聚合物；纤维物化性质；应用 引言 静电纺丝是指聚合物溶液或熔体在高压电场中拉伸成纤的过程。自1902年Cooley在其申请的专利[1]中阐明溶液的静电纺丝技术以来，已经100多年了，其间备受关注，研究广泛。而熔体电纺虽然在1936年Charles Norton等的专利中就已提出[2]，但直到1981年才有相关的研究论文出现。Larrondo和Manley发表的三篇系列论文中的第一篇以聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）为原料，探究了熔体电纺的可能性，对比了溶液电纺和熔体电纺的临界电压，并对射流成丝过程进行了摄像记录[3]。此后对熔体电纺的研究依然是持续的空白。21世纪初，才真正掀起了熔体电纺的研究高潮。熔体电纺过程无毒无污染，克服了溶液电纺中溶剂残留和聚集的问题，可以弥补溶液电纺在某些对卫生、安全要求较高的领域如组织工程的应用缺陷。可能是受近年来生物工程研究热潮的推动，国内外学者都对熔体电纺展开了逐渐深入的研究。从2005年到2012年的研究论文达60余篇，并陆续有专利的申请。 熔体电纺装置 熔体电纺的装置目前均由各个研究机构自行搭建，尚无公认的成熟设备。其必要的组成部分是加热部件、给料部件、高压电源及接收部件。熔体电纺装置采取的加热方式主要有激光加热、电加热、流体加热、热风加热。电加热是最普遍的加热方式，笔者所在实验室搭建的熔体电纺装置采用的就是电加热的方式，如图1所示，使用电热圈加热，利用传感器和温控仪对熔体温度实现实时有效调控。实验中分别采用滚筒、平板作为接收装置得到的聚丙烯纤维膜的形态及其SEM 图如图1所示。
医学领域的静电纺丝技术
近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题。 要使缺损的组织和器官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的。 自20世纪60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注。与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
静电纺丝作为一种简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，终固化成微纳米级纤维状物质的过程。 静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点，能够满足组织工程中细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附。 国内纳米纤维和静电纺丝技术正在蓬勃发展，科研发文数量一直位居全球首位。近年来，电纺纤维及其纤维膜由于高的比表面积，高的孔隙率以及形貌可控等优点在伤口愈合方面引起了很多关注，电纺纤维膜一方面能够物理隔绝病毒和细菌，又能够透气保湿，给伤口营造一个良好的愈合环境。 另一方面，电纺纤维的直径以及纤维膜的孔径与细胞外基质的尺寸相仿，能够促进细胞生长，加速伤口愈合速度，减少疤痕产生，因此在创伤敷料方面有独特的优势。 但大多数电纺敷料通常是经过先制备再应用的过程，容易对伤口造成二次创伤。原位电纺目前是一种较为理想制备及应用电纺敷料的方法。便携式手持静电
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。
探讨静电纺丝技术的研究进展
探讨静电纺丝技术的研究进展 摘要：静电纺丝工艺是目前能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，具有 工艺简单、操作方便、制造速度快等优点，在医学和环保等领域有广泛应用。介 绍了近年来静电纺丝技术及其应用的研究进展，对静电纺丝的原理、影响因素等 方面进行了综述，对静电纺丝技术在未来的应用提出展望。 关键词：静电纺丝；纳米纤维；进展 引言 纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100nm的超微细纤维。它具有比表面 积大、孔隙率高等特点，因而可广泛应用于高效过滤材料、生物材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域。20世纪90年代纳米技术研究的升温，使 纳米纤维的制备迅速成为研究热点。静电纺制备聚合物纳米纤维具有设备简单、 操作容易等特点，是目前为止制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。 1静电纺丝 静电纺丝设备的简图如图1所示，主要由3部分组成：高压电源、喷丝头和 纤维收集装置。一般采用直流电源供应高压电，而不是交流电源。静电纺丝所需 的高压电为 1～30kV。注射器（或者移液管）将溶液或熔体输送到其末端的喷丝 头处。喷丝头是非常细的金属管且装有电极。收集装置或接收板用于收集纳米纤维，通过改变收集装置的几何尺寸与形状，可调整纳米纤维的排列形态。 2静电纺丝技术的原理 早在1882年，Ｒaleigh的研究发现，带电的液滴在电场中不稳定，进入电场之后，由于 电场力的作用，容易劈裂成较小的液滴。Taylor的研究表明，带电的液滴通过喷丝头进入电 场以后，在电场力以及液体表面张力的共同作用下，液滴逐渐被拉长，形成一个锥状体（Taylor锥），并确定其角度为49.3°。 静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体被挤压到喷丝头，由于电场力和表面张力的作用， 在喷丝头处形成Taylor锥，随着纺丝液不断的被推入电场，纺丝液便会从Taylor锥尖端喷出，在电场中受电场力的作用而被继续拉伸，当射流被拉伸到一定程度时，便会克服表面张力， 发生非稳定性弯曲进而被拉伸并分裂成更细的射流，此时射流的比表面积迅速增大而使溶剂 快速挥发，最终在收集装置上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。 3静电纺丝的影响因素 静电纺丝的影响因素主要包括溶液性质（如黏度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常数、表面张力等），过程条件（如电压、挤出率、喷丝头与接收装置之间的距离、喷丝头直径等）和环境因素（如温度、湿度、气体流速等）。对于这一方面，很多人进行了 研究。 现有的研究结果表明，在静电纺丝过程中，影响纤维性能的主要工艺参数主要有：聚合 物溶液浓度、纺丝电压、固化距离（喷嘴到接丝装置距离）、溶剂挥发性和挤出速度等。 （1）合物溶液浓度 聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张 力增大而减弱。通常在其它条件不变时，随着聚合物溶液浓度的增加纤维的直径也增大。 （2）纺丝电压 随着对聚合物溶液施加的电压增大，体系的静电力增大，液滴的分裂能力相应增强，所 得纤维的直径趋于减少。 （3）固化距离 聚合物液滴经喷嘴喷出后，在空气中伴随着溶剂挥发细流中的同时，合物浓缩固化成纤维，最后被接丝装置接受。对于不同的体系，固化距离对纤维直径的影响不同。例如，对于 聚苯乙烯（PS）/四氢呋喃（THF）体系研究表明，改变固化距离，对纤维直径的影响不明显。
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
分分钟认识静电纺丝
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
静电纺丝技术应用
250 CPCI 中国石油和化工 石油工程技术 静电纺丝技术应用 王市伟 （郑州大学力学与工程科学学院 河南郑州 450001） 摘 要：基于电纺的纤维的许多优点，如高比表面积、高的孔隙率以及可以通过调控溶液和工艺参数得到预期的纤维形貌和力学性能，静电纺丝纤维在诸多方面有广泛的应用。 关键词：静电纺丝 性能 应用 1 组织工程 组织工程是一个多学科领域，涉及工程和生命科学的原理。为生物替代品的发展，也为恢复、维护或改善组织提供条件。生物材料是一个新兴的研究领域，在多方面的研究中起着举足轻重的作用。例如在组织工程中作为细胞生长、增殖的基质，并有利于三维新组织的形成。与其他纤维形成的过程如自组装和相分离技术相比，静电纺丝提供了一种更简单和更具成本效益的手段，用于生产具有相互连接的孔隙结构和纤维直径处在亚微米尺度的纤维支架。 2 过滤 静电纺丝方法制备的无纺产物已成功用于高性能的空气过滤器。纳米纤维膜可以有效地去除空气中直径在1μm-5μm 间的颗粒。这不仅靠物理截留机理也靠空气过滤器中的电动捕捉。聚合物纳米纤维的静电电荷也会改变粒子的静电吸引能力。不通过增加压降，而是将将纺丝和充电结合可以提高过滤效率。过滤效率与纤维细度密切相关，所以这是考虑过滤性能的重要方面。一般情况下，随着过滤膜厚度的减小和外加压力的增加，过滤器的效率呈线性增加。在纤维直径小于0.5μm 的情况下，保持相同压降，过滤效率有可能增强。 3 生物传感器 生物传感器，通常包括生物功能膜和传感器。已被广泛应用于环境、食品和临床。具有先进的微制造和信号处理技术的现代生物医学传感器正变得越来越精确和廉价。静电纺丝纳米纤维膜已经获得了极大的关注。其独特的大表面积的特点促进了它在传感器上的应用，主要因为增大表面积可以提高电导传感器灵敏度。较大的表面积可以吸收更多的气体进行分析，使得传感器的电导率变化更加明显。以丝素膜为基础的生物传感器已被广泛用于分析各种物质，如葡萄糖、过氧化氢和尿酸。 4 能源发电 高分子导电膜在许多方面都有应用前景，如静电耗散、腐蚀保护电位、电磁屏蔽、光电器件和微型电子器件或机器的制造如肖特基结，传感器和执行器等。因为电化学反应的速率与电极的表面积 成正比。导电纤维膜也用于开发高性能的电池和聚合物电解质膜燃料电池，由于其较高的孔隙率和本身的大面积。聚合物电池的导电纤维也有许多特性，例如不漏液、高维灵活性和单位重量的能量密度高。 5 化妆品 有无添加剂的电纺纳米纤维膜，作为皮肤护理的化妆品被运用于许多方面。如皮肤愈合、皮肤清洁或其他治疗和医疗用途。静电纺丝纳米纤维面膜具有高表面积，有利于更好的使用，也加快了添加剂向皮肤的渗透效率。静电纺丝制成的美容护肤面膜可以无痛且直接地与三维形态的皮肤进行贴合，为皮肤提供治疗或保健。为了皮肤的健康与美容，护肤因子可以渗透到纤维膜中制成面膜。由于孔径小和比表面积大，静电纺纳米纤维面膜已经具有很大的前景。 6 未来前景 为了改善电纺纤维的适用性，各种创新的静电纺丝技术得到了应用。包括同轴静电纺丝、混合静电纺丝、核壳型静电纺丝、吹塑辅助型静电纺丝等。最近，将纳米纤维膜用于组织工程支架引起了广泛的兴趣。纳米纤维支架相比于宏观支架可以更好地模拟细胞外基质并提供三维环境。因此，静电纺丝纳米纤维支架在未来的组织工程中具有巨大的应用潜力。有研究正在对纤维纤维的性能进行改善，并且会扩大这个范围。在未来，电纺纳米纤维有希望得到更广泛的应用。 参考文献：[1]李蒙蒙，朱瑛，仰大勇，蒋兴宇，马宏伟.静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展[J].高分子通报，2010，5(9)：42~50. [2]覃小红，王善元.静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景[J].高科技纤维与应用，2004，29(2)：28~32. [3]Eduard Zhmayev ，Huajun Zhou ，Yong Lak Joo. Modeling of non-isothermal polymer jets in melt electrospinning[J].Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics ，2007，153 (2)，95~108. 作者简介王市伟，男（汉），河南人，硕士生导师，主要从事聚合物加工新方法及高性能化研究。 *本研究得到河南省基础与前沿技术研究计划项目（152300410033）。
静电纺丝
静电纺丝原理及研究进展 摘要纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,越来越引起人们的关注。简述了国内外静电纺丝的研究现状;介绍了静电纺丝的制备原理、静电纺丝装置的改进、影响纤维成形的主要工艺参数及纤维形态;叙述了静电纺丝纳米纤维在过滤材料、生物医学和传感器等方面的应用;展望了静电纺丝的发展方向。 关键词：静电纺丝；发展；原理；应用 1 国内外研究现状 美国的有关静电纺丝的文献占了全世界的一半以上,总体看来国外的静电纺丝技术较国内的系统和完善。国外对静电纺丝的研究主要集中在以下几个方面: (1)研究多种合成聚合物和天然聚合物的静电纺丝工艺,分析影响纺丝的因素及其纤维表征。 (2)研究电压、喷丝口与接收屏之间的距离、纺丝液的浓度和流量等静电纺丝工艺参数对静电纺纤维的直径及表面形态的影响,分析纺丝工艺的规律,以建立各工艺参数关系的理论模型。 (3)静电纺丝所得制品在生物领域中的应用研究 (4)静电纺丝装置和方法上的创新,是近来静电纺丝研究中的一个热点。与国外相比，国内的研究大约从2002年开始，东华大学研究了静电纺丝的工艺参数对聚丙烯腈纤维直径的影响[8]，同济大学进行了导电聚合物纳米纤维静电纺丝工艺的研究[9]，北京化工大学用静电纺丝法制得聚乳酸纳米纤维无纺毡[10],中国科学院用静电纺丝法制得了纳米级聚丙烯腈纤维毡[11]。总之国内的静电纺丝起步较晚,对静电纺丝的研究主要是通过选择适当的聚合物溶液纺制纳米级纤维,目前还着重于工艺参数对纤维形貌和直径的影响及其纤维形貌的分析。 2 静电纺丝基本原理及装置 2.1 静电纺丝基本原理 一般的静电纺丝装置包括高压电源、溶液储存、喷射和接收装置,相对应可以分为5个过程:流体带电、泰勒锥的形成、射流的细化、射流的不稳定和纤维的接收[12]。其中最重要的是泰勒锥的形成。溶液处于储液管中,有外加电极时会在 电场作用下形成液滴,没有外加电极作用时,由于重力作用,在溶液与管壁的粘附力、本身的粘度和表面张力的作用下形成悬挂在管口的液滴,在电场力的作用下液滴表面布满了电荷,电荷之间的库仑斥力与液滴表面张力相反,当电场强度增大时,液滴表面的电荷密度增大,库仑斥力大于表面张力,液滴曲率发生变化被拉长成锥形,锥角为49. 3b,这一带电液体称为泰勒锥。泰勒锥会随电压的增大发生喷射,喷射流在电场的作用下分裂,随着溶剂的挥发,射流固化,最后纳米纤维收集于接收装置。2.2 静电纺丝装置及改进 静电纺丝装置一般由三部分组成：喷丝装置、接收装置和高压电源，如图1.29。近些年来，科学家们已经不满足于对简单纤维的制备，为了得到一些特殊的形貌和性质的纤维，人们对纺丝装置进行了不同程度修饰和改进。 基于对中空管纤维和核壳纤维的探索，人们设计了同轴电纺丝装置[149-151,158-161]。Li等人[160]设计了同轴喷头装置并成功地制备了管式结构的TiO2纤维(图1.30a)，他们研究发现，内外层材料的相容性会影响这种管式结构的形成，如果内外层材料相容性较好，那么是不容易制造管式纤维或者核壳纤维的。Muthiah等[149]利用同轴电纺丝技术制备了 具有核-壳结构的聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的