熔体静电纺丝及其装置的研究进展
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
多种静电纺丝与3D打印技术结合的实例
多种静电纺丝与3D 打印技术结合的实例 申请日期 标题 发明人 内容 2016-06-07 一种用于静电纺丝的3D 打印喷头及打印机 孟想;辛 斌杰;靳 世鑫;张 弢 一种用于静电纺丝的3D 打印喷头，其特征在于：包括料筒， 所述料筒的上盖封闭所述料筒，上盖上方连接压缩杆，压缩杆 由压缩电机带动上下移动，从而带动上盖上下移动，所述料筒 的底盖为均匀设置有多个通孔的喷丝板，所述喷丝板采用导体材料制作，连接静电发生装置，喷丝板下方连接有保护罩，保护罩下方是3D 打印平台，在3D 打印平台下方设置有电极。采用本发明的3D 打印喷头的打印机，采用三个平台的设置，使 喷头和电极不用移动。本发明的用于静电纺丝的3D 打印喷头 和打印机，能够直接从喷丝板喷丝出来的同时加载静电，效率 高，控制方便，成纱均匀，连续性和稳定性都大大加强。 201 6-04 -15 一种基于3D 打印技术制备生物可降解聚合物自扩张式血管 支架的方法 顾书英;金升朋 一种基于3D 打印技术制备生物可降解聚合物自扩张式血管支 架的方法。具体步骤为：合成具有良好生物相容性、生物可降 解性聚乳酸基形状记忆聚氨酯/Fe3O4纳米复合材料，通过熔融 沉积制造技术将复合材料制备成血管支架。另外为提高血管内皮修复速度，通过静电纺丝在支架表面有选择性地引入西罗莫司、肝素或内皮生长因子等。本发明基材的形状记忆功能增加 了一个“时间”维度，结合3D 打印成型，赋予支架4D 成型概念；利用Fe3O4的磁热效应可以远程激发形状记忆聚合物发生形状回复，使血管支架自行扩张，支架植入时，不需要球囊扩张， 避免了球囊扩张时支架的轴向缩短、撤出时的径向回弹，对血 管的损伤降到最低程度，并且Fe3O4的引入还解决了聚合物支 架显影性差的难题。
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。
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。
熔体静电纺工艺及研究现状
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。
静电纺丝文献综述
学号： 北京化工大学 毕业设计开题报告 题目： 学院：材料科学与工程学院专业： 班级：姓名： 指导教师： 专业负责人： 指导老师意见： 指导老师签字：日期: 年月日 日期：年月日
静电纺丝文献综述 摘要：静电纺丝技术自从2000年以后进入快速发展期，论文和专利都成指数型增长。目前，研究的现状从这些研究的内容看，研究主要围绕静电纺丝的应用、工业化、原理三个方面。同时，在医用材料领域，静电纺丝也逐步展开了研究。 关键词：静电纺丝，研究现状，医用材料 Abstract:Electrospinning develops rapidly that papers and patents increase exponentially since 2000. The research status focus on applications, industrialization and principle. Meanwhile, electrospinning research on biomaterials is springing up. Key words: electrospinning, research status, biomaterials application 1 静电纺丝发展 目前常用的制备纤维的方法有拉伸法、模板法、相分离法和静电纺丝法。其中，静电纺丝法制备纤维因其操作简单、适用较广和成本低而广泛被使用在纺丝领域。静电纺丝是A.Formhals在1934年发明[1]。在1938年至1944年期间，随着A.Formhals 对静电纺丝技术的进一步改进和对静电纺丝原理的探究[2-7]，静电纺丝技术得到了进一步的发展。1969年，Taylor发现了Taylor锥[8]，对静电纺丝的原理进行了进一步的丰富。1971年，杜邦公司利用静电纺丝制备了PAN亚纳米纤维。1981年，美国Ethicon 公司研究了静电纺丝技术在医学领域的应用[9]。在20世纪90年代后，静电纺丝技术在世界范围内得到了快速发展，文献和专利技术迅速增加。在2001年，国内有关静电纺丝技术的专利出现，东华大学、北京化工大学、浙江大学等高校成了国内静电纺丝研究的中心。在2006年，全球第一条静电纺丝制备纳米纤维的生产线投入市场，标志着静电纺丝技术实现了工业生产化。 2 静电纺丝原理
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
静电纺丝技术的研究及应用
静电纺丝技术的研究及应用 常 会，范文娟 （攀枝花学院生物与化学工程系，四川 攀枝花617000） 摘 要：介绍了静电纺丝的装置、静电纺丝基本原理及影响纤维成形与纤维形貌的各种因素，同时叙述了静电纺丝在过滤材 料、生物医学工程、电学和光学、催化剂载体材料方面的应用。最后对静电纺丝发展方向进行了展望。 关键词：静电纺丝；纳米纤维；应用 Research and Application of Electrospinning Process CHANG Hui ，FAN Wen －juan （Biology and Chemistry Engineering College ，Panzhihua University Panzhihua ，Sichuan Panzhihua 617000，China ）Abstract ：The basic principle of electrospinning ，equipments of electrospinning ，and parameters influenced the fiber formation and fiber morphology were introduced．The application of the electrospun nanofibers in many fields of filtration material ，biomedical engineering ，electrology and photology and catalyst carrier material was introduced．Finally ，the de-velopment of the electrospinning was prospected as well． Key words ：electrospinning ；nanofibers ；application 作者简介：常会（1984－），男，助研，主要从事功能型高分子材料的研究。 静电纺丝又称电纺技术，是聚合物流体或熔体在高压电场作用下从喷嘴进行喷射拉伸而获得固体纳米级纤维的纺丝方 法。最早可以追溯到1974年，Bose 所发现在流体液滴上施加高压电场所产生的电喷雾技术［1］。直到1934年，由Formhals ［2］ 发明了一种用静电推力使丙酮作溶剂的醋酸纤维素溶液产生聚合 物细丝的设备， 并且申请了专利，此后较多研究者对静电纺丝进行了研究。20世纪90年代以后，随着纳米材料和纳米技术研究的兴起，静电纺丝技术引起人们的重视。静电纺丝所纺纤维除 直径小的特点外， 还具有诸多优势如纤维取向各向异性、比表面积大、孔隙率高、精细程度一致和均一性高与长径比大等优点，使其在化学、物理（热、光、电磁等）学等领域具有特殊性质，因而在医药、工业、国防等方面具有巨大的应用潜力，引起研究者浓 厚的兴趣 ［3－6］ 。1静电纺丝装置 静电纺丝装置主要由3部分组成：高压电源、溶液储存装 置、喷射装置与接收装置组成。高压静电场一般采用最大输出电压为30 100kV 的直流高压静电发生器来产生。溶液储存装 置可以使用注射器或储液管等， 装置内装满聚合物溶液或熔体，并插入一个金属电极。该电极与高压电源相连，使液体带电。喷射装置为内径0．15 2mm 的毛细管或注射器针头。静电纺 丝装置包括平行式［7］和垂直式［8］ 两种。垂直式静电纺丝机的喷 丝头与收集板是垂直排布（立式）的， 利用液体或熔体本身的重力使其从针孔处流出，垂直式纺丝装置最简单、主要用于静电纺丝的基础研究；平行式静电纺丝机的喷丝头与收集板水平排布 的， 利用数控机械装置缓慢推动注射器将溶液或熔体挤压出来。最早的接收装置是金属平板，为了实现静电纺丝纤维形态的可控和特定取向结构的制备，研究者们发展了圆柱状转鼓接收装 置、旋转圆盘接收装置、框架接收装置、尖端接收装置和相对圆 环接收装置等［9］ 。近年来还发展了多喷头的纺丝装置，在纺丝过程中将不同聚合物分别放置在不同的喷嘴里，并且高速往复移动收集滚筒，最终制得的不同聚合物纳米混合纤维能很好地均匀结合在一起，并且使用多喷嘴可以提高静电纺丝的生产率 。 图1典型静电纺丝装置图— 平行式 图2典型静电纺丝装置图—垂直式 · 21·广州化工2011年39卷第21期
明胶静电纺丝的研究进展
第33卷第1期明胶科学与技术2013年3月T he Sci ence and T echno l ogy of G e l a t i n V01．33．N o．1 M a r．2013． 明胶静电纺丝的研究进展 卢伟鹏张兵+郭燕川” 中国科学院理化技术研究所，北京，100190 摘要：作为天然高分子之一的明胶无毒无味，具有优异的生物相容性及生物可降解性。利用静电纺丝技术制备的明胶纳米纤维膜材料能最大程度地仿生天然细胞外基质的胶原蛋白结构，因此在生物医用材料领域具有广泛的应用，引起了国内外学者的普遍关注。本文介绍了明胶静电纺丝装置、工艺的研究进展，同时总结了明胶静电纺丝纳米纤维膜材料在生物医疗领域内的应用研究情况，并展望了明胶静电纺丝工艺与明胶纳米纤维膜材料的发展趋势和研究方向。 关键词：明胶；静电纺丝；纳米纤维；进展 静电纺丝技术(El ect r os pi nni ng f i ber t e ch—ni que)是指带电的高分子溶液(或熔体)在静电场力的作用下拉伸变形，再经溶剂挥发(或熔体冷却)而固化，从而获得纳米纤维的工艺。静电纺丝这一技术最早在1934年由美国For m hal s提出¨．2J。1966年，Si m ons发明了一种电纺装置，制备出超薄的无纺布∞J。1981年M anl ey和La=ondo利用静电纺丝将聚乙烯和聚丙烯熔体制备成连续纤维H“J。20世纪90年代初，美国阿克伦大学R ene ker课题组对该技术进行了进一步研究，利用静电纺丝技术制备了多种聚合物直径较小的纤维，推动了静电纺丝技术的发展o7，8|。近十年来随着对纳米材料的广泛应用及独特性能的开发，静电纺丝技 }e-m a i l：Z hangbi ng@m ai l．i pc．ac．cn {}e-m ai l：Y anchuanG uo@m ai l．i pc．ac．cn 术的实验和理论工作也得到了深入的研究。目前已有几百种聚合物通过静电纺丝技术制备出超细纤维材料，其中包括合成的可降解聚合物，例如聚乳酸、聚乙交酯、聚氧化乙烯、聚己内酯等及其共聚物，天然高分子如蚕丝蛋白、纤维蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸、D N A 等。天然高分子在生物相容性和生物可降解性方面比合成高分子具有更大的优势，更适合生物医疗方面的应用，受到国内外学者的青睐。 明胶是由动物体内的胶原蛋白水解制备而成，其氨基酸组成和胶原相似，具有良好的生物相容性、可降解性以及低免疫原性∽。11|。因此，明胶在国民的生产生活中应用具有重大的意义。目前常用的明胶加工手段(冻干、涂布、浸渍等)制备出各种明胶产品，例如明胶海绵、明胶膜、胶囊、胶片，其不具有纳米结构，因此产品在生物相容性、生物可降解性上具有一定的缺陷，造成其机械性能、防潮、抗湿、抗菌方面性能的降低；同时也影响明胶优良生物活性的发挥。利用静电纺丝技术，可简单快捷地制备具有纳米结构的纤维膜材料。从结构上讲，其具有明显的小尺寸效应，大的比表面积和超分子的排列效果。另外，明胶纤维膜材料表面形成很多微小的二次结构，这与细胞外基质的结构类似，更接近于生物体的结构尺寸；从性能上讲，由于其特殊的纳米结构，纤维膜材料具有很强的吸附力、良好的过滤性、阻隔性、粘合性、保湿性、良好的生物相容性及生物
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
静电纺丝操作说明
静电纺丝操作步骤（有粘结性的溶液） 溶液配制好后按如下步骤进行喷丝实验: 1.打开总开关，检查正负压电源的调节旋钮是否归零（左旋到底），紧急停机旋 。 2.控制面板上的钥匙电源开关右拧，此时进 入标签页面。点击来到推注控制页面。 3.或，快速将注射器的
活塞推到底，此时点击。 4.点击，使滑块迅速移退至一定位置，取出空的注射器，将纺丝液注入到 注射器中，固定到推注泵卡口处，通过或来调节滑块位置，使针头 此时显示框内出现负值， 的可用长度，在此范围内任意设定需要纺丝的距离。 5. 接收器：固定式的，平行式的，高转速的） 6.点击并修改、或参数。 7.通过设备底部滑台上的夹子调节喷丝头与连接器之间的距离， 确定好位置，高压夹头加紧，点击，此时推注装置开始单独运行。 8.将控制面板上的、红色按钮按下，此时正负高压开 启，调节旋钮；边观察纺丝现象边调节 （目的是调节喷丝效果），直至出现比较稳定的喷射流即可。 9.若启动平移装置，可以通过触摸屏点击，首先检查平移部分的中点，一 般将标尺的零点设定为中点，并设定平移行程和平移速度。也可以通过点击 “设为中点”即可将当前 位置设定为平移中点， 点击，此时平移装置开始单独运行。 10.若需启动接收装置，可以通过触摸屏点击，设定转辊接收速度，直接 以及。 11.若需要同时启动两个推注装置、平移装置、接收装置，可以分别在相应的标 签页面设置好运行参数之后，点击进入联动标签页面，点击，此时所有能动的装置都会启动，如需停止，点击“停止”即可，此为联动启动功能。 12. 完毕之后再打开正负高压继续进行实验。 13. 操作功能之后方可手触所收集的材料。
静电纺丝原理研究进展
静电纺丝原理研究进展 薛聪,胡影影,黄争鸣* (同济大学航空航天与力学学院,上海200092) 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,其中同轴共纺技术由于能制备芯2壳(core2shell)结构的纳米纤 维,也越来越引起人们的关注。本文介绍了基于电流体动力学的静电纺丝原理,讨论了静电纺丝相关原理研究 进展,包括Taylor锥与喷射,纳米纤维的弯曲非稳定性,高聚物溶液P熔融体流动非稳定性,两相流流型及其转 换,高聚物两相流流型及其转换,非牛顿流体流动非稳定性以及两种非牛顿流体分层流动等,最后指出了尚待 解决的一些问题。 关键词:静电纺丝;流体动力学;非牛顿流体;两相流 引言 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。到了20世纪80年代,才有人开始对该技术进行大量的实验和理论研究。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,主要是从事化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝,但显而易见的是,电纺过程中涉及了大量的流体动力学方面的内容,因此也受到了力学界的关注。 早在上世纪60年代,电纺过程中有关流体动力学方面的研究就已经开始了[3]。由于静电纺丝所使用的溶液或熔融体大多为非牛顿流体,因此随着流体力学研究的不断深入,特别是非牛顿流体相关研究的深入,推动了电纺理论的发展。近期,一种新的电纺方法)))同轴电纺及其紧密相关的同轴射流技术,引起了人们极大的关注[4~8],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[9],因此对同轴电纺理论研究同样引起了包括力学家在内广大学者的极大兴趣。相比于传统单纺,同轴共纺的流体动力学问题更多也更复杂,并且如何将现有的研究成果与同轴共纺结合起来,需要广大学者进一步的研究和探讨。本文重点介绍了电纺中流体动力学的研究成果及进展,以期对该方面的研究现状和未来发展趋势有一个较好的认识。 本文首先介绍静电纺丝原理,包括Taylor锥与喷射、纳米纤维的非稳定性、高聚物溶液或熔融体在毛细管中流动的非稳定性,然后介绍了同轴电纺和单纺之间的异同、微重力条件下两相流流型与转换、非牛顿流体两相流流型与转换以及两种非牛顿流体分层流动非稳定性相关研究,最后为小结。 1静电纺丝实验装置与基本原理 111电纺过程 电纺装置包括:高压电源,溶液储存装置,喷射装置(如内径1mm的毛细管)和收集装置(如金属平板、铝箔等)。图1为本实验室所用的单纺装置。 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基金项目:国家自然科学基金(50773054、10402031); 作者简介:薛聪(1980-),男,硕士研究生,主要从事同轴静电纺丝制备透光复合材料的研究; *通讯联系人:E2mail:huangzm@https://www.360docs.net/doc/757704516.html,.
静电纺丝理论模型的研究进展_侯成伟
知识介绍 收稿:2011-06-02;修回:2011-06-27; 基金项目:天津市自然科学基金(11JCYBJC02500); 作者简介:侯成伟:男,1987年生,硕士,主要研究方向为功能非织造材料开发与应用。通讯联系人:E -mail :taky hou 2006@https://www.360docs.net/doc/757704516.html, 静电纺丝理论模型的研究进展 侯成伟1,蔡志江1,2＊ (1.天津工业大学纺织学院,天津 300160; 2.先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津工业大学,天津 300160) 摘要:静电纺丝技术是制备纳米纤维最直接、最有效的方法之一,其生产过程简单经济从而成为世界研究 的热点。但是由于静电纺丝过程的复杂性,导致其研究一直处于实验阶段。如何完善数学、力学等理论模型是 静电纺丝研究的基础问题,对静电纺丝工艺参数和设备制造有着重要的意义。本文论述了国内外静电纺丝理 论模型的研究现状和进展,重点介绍了静电纺丝射流理论模型的研究及需要解决的理论问题,展望了静电纺丝 理论模型研究的发展前景。 关键词:静电纺丝;理论模型;射流 引言 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法,它是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动拉伸变形,经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,得到纳米级的纤维。由于其在化学、物理性质方面表现出特异性,因此被广泛地应用于组织工程、药物控释、制备过滤材料和功能纳米管模板等方面[1～3] 。 静电纺丝包括两个典型的阶段。第一个阶段聚合物射流在静电力、重力等作用下被平稳拉伸加速,只做单轴拉伸运动,并且射流的形态不随时间的变化而改变,通常被称为“稳定运动”阶段;第二个阶段射流开始弯曲并发生鞭动,在到达收集板之前经历了一段“不稳定运动”过程,这种不稳定通常被称为“鞭动运动”阶段。静电纺丝过程十分复杂,涉及到物理学﹑化学和化学工程的不同分支,主要包括静电学﹑电流体动力学﹑流变学﹑空气动力学﹑湍流﹑固-液表面的电荷输运﹑质量输运和热量输运等等[4]。目前关于静电纺丝技术的研究主要侧重于各种聚合物的静电纺丝方法和工艺,对于静电纺丝射流的模型建立研究相对较少,但完善的理论模型对静电纺丝工艺参数以及设备的制造有着重要的意义。因此,正确把握静电纺丝中的各种关键因素,建立较为精确完整的数学﹑力学等模型是静电纺丝研究中的基础问题。本文主要对近年国内外静电纺丝模型方面的研究进行综合评述。1 静电纺丝射流理论模型研究 1.1 稳态射流理论模型 对于静电纺丝中的稳定阶段的理论模型研究,可追溯到20世纪60年代。Taylo r [5]首次用数学表达式描述了液滴在毛细管口的平衡状态,并提出了静电系数这一概念。 V 2C =4H 2L 2In 2L R -32(0.114πγR )(1) 式中:V C 为电压;H 为毛细管到地面的距离;L 为毛细管的长度;R 为毛细管的半径;γ为液体的表 永康乐业静电纺丝设备ｗｗｗ．ｕｃａｌｅｒｙ．ｃｏｍ