静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用
戚妙北京永康乐业科技发展有限公司
１．静电纺过滤材料简述
一般说来，人们对于过滤材料原材料的甄选基本会在以下几种材料中进行：天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷、矿物等等[1-2]。按照不同的加工工艺这些过滤材料可分为以下几类[3]：①机织物、针织物、编织网和纤维束等；②纺粘和熔喷无纺布；③多孔陶瓷材料；④有机膜和无机膜材料；
⑤静电纺丝材料。
传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有30%～40%[4]。从生产工艺流程角度审视，传统纤维织造过滤材料流程长，产品的生产效率低，主要通过经纬纱之间的孔隙进行过滤，滤料本身产生的阻力也比较大；且织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果过滤材料还没有形成粉尘层、过滤层清灰或者其它原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤料的过滤效率大幅下降。
在过滤材料上运用静电纺丝技术有非常多的优点，现将其归纳成以下几个方面[5-9]。
（1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器，随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。
（2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。
（3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。
（4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。
（5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。
目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3um以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景[10]。
2.静电纺丝在过滤材料的应用
根据不同的应用领域可将对于静电纺丝过滤材料的研究分为以下三个方面：
2.1气体过滤
起源于气体过滤领域人们对静电纺纳米材料应用于过滤领域的研究才开始逐渐深入。众多学者对静电纺过滤材料的过滤效率、过滤阻力和压降等一系列的指标进行了定量的研究[11-13]，由于物理机械性能难以承受气流的冲击，基本与熔喷材料复合，对于静电纺的应用研究主要针对与其熔喷的复合材料。
Kitai等[14]静电纺丝PAN纤维，使用传统熔喷材料作为接收材料，制作出复合型的过滤材料。通过大量的测试表明，随着静电纺薄膜厚度的增大，材料的过滤效率提高，过滤阻力增大，对于优化过滤介质的过滤性能可以通过控制纳米层的厚度来达到。
AHn[15]等电纺制得PA6纳米纤维，文章讨论了纺丝溶液浓度同纺丝纤维直径的关系，将溶液浓度从15％提升到24％，制得的纤维直径可以从80nm提高到200nm。文章还对比了尼龙6纳米纤维毡同高效空气粒子过滤器（风速5cm/s，0.3um的测试颗粒）的过滤效率，纳米纤维毡的过滤效率可以达到99.93%，这一数值要比高效空气粒子过滤器高很多。
Park[16]比较了传统的玻璃纤维高效空气过滤器和静电纺尼龙6纤维毡的过滤性能，静电纺纤维毡的过滤效率比玻璃纤维过滤介质要高（风速3m/min，0.3um的测试颗粒），而实际上其纳米纤维毡的面密度只有16.48g/m2，远远小于玻璃纤维过滤器的81.46g/m2，在相同的风速条件下，静电纺纤维毡的压力降只有13.27mm水银柱，也要小于玻璃纤维37.05mm水银柱的压力降。
李从举[17]等采用静电纺丝技术，制备了聚醚砜(PES)纤维膜，为降低过滤压降，在纤维中加入微球，研究了纤维与微球复合方式对过滤性能的影响。复合纤维膜是以聚丙烯(PP)无纺布为支撑层，实验结果表明，PES浓度为280g/L时，所得纤维粗细均匀，平均直径为510nm；PES浓度为200g/L时，得到PES微球结构，微球直径2.74um。同时发现在纤维间引入适量微球，则会降低过滤压降，而纤维膜过滤效率不受影响，若微球量过多，压降则会增加。
2.2液体过滤
静电纺丝膜液体过滤可以应用于诸多领域,
?饮用水
纳米纤维过滤膜有望成为集中人群地点制造饮用水材料。通过经纳米过滤和超滤的方式预处理的纳米过滤和逆向渗透方式，将收取的海水脱盐。饮用水同时也可以使用不卫生、不安全、能源成本低廉的地表水源以及纳米细胞膜的帮助下制得。Bjorge等[18]以聚酰胺为原材料使用静电纺丝工艺制备得到了直径为50～100nm、厚度为120um、平均孔径为0.4um的多孔纳米纤维膜滤材，并将该材料作为微滤膜应用在水过滤过程里。经实验测试，该多孔纳米纤维膜材料对于水中的固态悬浮颗粒的去除率可达到100%，减少其中50%的化学需氧量（COD）。
Ma等[20]通过静电纺丝技术以及表面改性技术，制得出新型的聚砜（PSU）超细纤维薄膜（直径1~2um），并将其用于吸附有机染料和蛋白质。首先将静电纺丝得到的PSU薄膜在188℃的高温下进行热处理，这一过程可显著的提高该种材料的力学强度。随后对其进行空气等离子处理，将聚甲基丙烯酸（PMAA）在Ce4+作用下接枝在PSU薄膜上，从而制得PMAA修饰的PSU纳米纤维材料，使得纤维材料表面带有大量羧基。试验结果表明，这种亲水性纤维薄膜要比传统的微滤膜具有更小的压降及更高的通量。这种PSU薄膜可以说是一种非常具有潜力的亲和性纳米纤维薄膜，可将这种材料应用于处理含有有机染料和蛋白质等污染物的水质过滤领域。
?生物制药过程
生物制药过程在制造药物时，有效利用纳米纤维膜从技术层面上处理在这个过程中产生的水份。这样很好地节约了饮用水的转变处理过程的成本。该过滤思路（尤其是纳米过滤）可用于过滤血液、尿液或者制药的流程里（如生产软化水）。
?过滤饮料
纳米纤维膜同样适用于过滤饮料，诸如沸水、啤酒、葡萄酒和蔬果汁等饮料，该材料尤其可应用于过滤和浓缩牛奶。同时，这种纤维膜材料对于饮料中存在的减少寿命和对健康产生负面影响的有害微生物的去除作用明显。该过程同时还可以去除改变液体外观（颜色、有机或无机混合物）或味道（金属、不需要的芳香剂）的物质。Beatriz Veleirinho等[21]进行了PET静电纺膜用于果汁过滤方面应用的大量研究。经实验表明静电纺膜的过滤效率高，过滤后的果汁口感更佳，同时其中的营养成分并不流失。同时用该种方式过滤的过滤流量也大大高于超滤膜，从而缩短了过滤所需时间，意义巨大。
2.3其他过滤
1.金属离子的吸附分离
Parvin等[22]以聚丙烯腈为原材料进行了静电纺丝，制得直径在100~205nm之间的纳米纤维膜，在对其膜表面进行胺基化处理之后，研究材料对Cu2+的吸附情况。通过测试发现，纳米纤维膜的表面粗糙程度对铜离子的吸附起很大的影响，表面粗糙度越大，纤维直径越细对Cu2+在纤维表面的吸附过程就越有利，该过程中，纳米纤维膜对Cu2+的吸附容量可达102mg/g，微米级纤维膜的吸附容量则要小很多，仅为22.8mg/g。Teng等[23]应用溶胶-凝胶法同静电纺丝工艺相结合，
制得直径在200~300nm之间的硫醚改性聚乙
烯吡咯烷酮／二氧化硅纳米纤维膜，并分别研究了该材料对Hg+、Cu2+、Cr3+、Zn2+和Pb2+的选择吸附特性。实验表明，纳米纤维膜对Hg+具有很高的选择性吸附能力，在30分钟内能达到吸附平衡，对Hg+的吸附容量可达到4.26mmol/g，经过3次脱附吸附循环后，膜的吸附率为89.52％，吸附量降为1.15mmol/g，该材料纤维膜对Hg+的高选择吸附性可能与其S和Hg+间形成具有立构规整的化学键合有关。
2.抗菌过滤
Desai等[24]采用静电纺丝工艺制得壳聚糖／聚氧化乙烯复合纳米纤维膜材料，其纤维直径在88~132nm之间。通过实验研究了该材料在水过滤及空气过滤领域中的抗菌性能，如图1所示。研究表明，壳聚糖／聚氧化乙烯复合纳米纤维膜具有很好的抗菌性能，接触时间达到6h后，复合纳米纤维膜表面的大肠杆菌数量下降了2~3个数量级。
图1壳聚糖／聚氧化乙烯复合纳米纤维膜过滤前后
Tan等[25]在尼龙6纺丝液中加入二甲基乙内酰脲衍生物，通过静电纺丝方法制成纳米纤维膜，直径为100~500nm，实验研究了该材料在空气过滤中的抗菌性能。将革兰氏阴性和阳性菌引入纳米纤维膜材料之后，接触40min研究发现两种细菌被全部杀死，而随着二甲基乙内酰胺衍生物的含量的增加，纤维膜的抗菌效果也在不断提升，材料本身的力学性质和过滤效率却基本不受影响。
3.高温过滤
Huang等[26]以聚酰亚胺为原料，应用静电纺丝技术制得了取向纳米纤维构成的非织造材料，经试验表明所得材料具有非常好的力学性质以及耐热性质，拉伸强度最高能达到664MPa，拉伸模量最高可达15.3GPa。这类经试验所得的非织造材料可广泛的适用于高温过滤材料。王兆礼等[27]以溶液缩聚的方式制备得到聚酰胺酸溶液并作为纺丝液，随后采用静电纺丝技术纺得聚酰胺酸纳米纤维非织造材料，然后通过热亚胺化制得聚酰亚胺纳米纤维的非织造材料。通过实验对该材料的力学性能以及耐热性能进行分析比对，实验表明纳米纤维非织造材料的力学性能以及耐热性能会随纺液浓度提高而升高。高的力学性能和耐热性能决定了这种纳米纤维非织造材料可以用于高温烟气的过滤，在发电厂、垃圾焚烧厂的尾气过滤材料等方面也同样适用。
目前已经报道出多种体系的静电纺丝膜可作过滤材料(如聚丙烯、聚丙烯腈、尼龙6、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚己内酰胺和聚苯乙烯等)，随着科学家研究的深入，静电纺丝领域将会引起人们更广泛的关注[28]。
4．静电纺丝过滤材料的产业信息
社会生产的各个领域都已经应用了过滤材料，工业、农业、军事国防和特殊部门等,过滤材料已经是现代工业中重要部分[29]。基于如今过滤材料的重要性，过滤材料的研发以及生产情况受到了各个国家的重视，其中以欧美为代表的发达国家，过滤材料的工业化应用已经发展到了纳米量级上。目前，全球过滤材料的市场需求巨大，并且逐年提高，涉及到纳米纤维滤料业务的世界企业已经多达二十多家[30]，如表一所示。
表一全球从事纳米纤维滤料业务的企业
序
号企业所属国家网址
1Donaldson Company Inc.美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
2Espin Technologies Inc.美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
3KX Industries美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
4Ahlstrom Corporation芬兰https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
5Hollingsworth Co.Ltd.美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html, 6US Global Nanospace美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
7Finetex Technology韩国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html, 8Helsa-automotive德国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html, 9Nanotechnics Co.Ltd.韩国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
10Teijin Fibers Ltd.日本https://www.360docs.net/doc/8010964813.html, 11Toray日本https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
12Japan Vilene Company Ltd.日本www.vilene.co.jp
13Nanoval GmbH&Co.KG德国www.nanoval.de
14Hills Inc.美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
15Nonwoven Technologies Inc.美国asfabb@https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
16Emergency Filtration products,
Inc.美国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
17Elmarco捷克www.elmarco.cz 18Hohns Manville Sales GmbH德国https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
19Nanofiber Future Technologies
Corp加拿大https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,
20Esfil Tehno 爱沙尼亚共
和国www.esfiltehno.ee
根据统计数据，美国杜邦公司，Zyvex公司、德国Sandier公司以及捷克Elmarco公司等8家国际公司的静电纺丝装置的商业化运转已经颇为成熟。2004年11月，捷克Elmarco公司与捷克利贝雷茨技术大学共同合作开发的纳米蜘蛛问世，科研人员将铺上纳米纤维的熔喷无纺布与纺粘无纺布的过滤效率相比较，实验表明数值几乎增大到100%[31]。美国唐纳森公司在纳米纤维行业已经有20余年，2002年，Donaldson公司成立了分公司，该公司的主要业务是生产新型纳米纤维，如以PVDF作为支撑基材的ultra-web牌纳米纤维滤材[32]。美国H&V公司目前也已经有多种以纳米科技为基础的产业化产品，包括玻璃纤维复合材料、合成革以及过滤材料等。它最新推出了一种可用于空气和液体过滤材料的纳米丝，该纳米丝的体积是普通针刺过滤材料体积的1/3，但同煤烟相比却拥有更高的亚微米效率、低压粘合性能和其他更高的性能，它可以作为单独的一层丝也可以用于几乎任何一种材质的表面[34]。根据美国非织造布工业协会(INDA)的调研，预计到2020年，全球采用纳米纤维制得的产业用产品市场价值能增长到20亿美元。
目前国内外现有的过滤材料，其净化对象在10um左右及大于10um的颗粒。而直径＜10um的称为可吸入颗粒物(PM10)，可以通过人体的呼吸过程进入人体的上、下呼吸道。尤其是直径＜2.5um的细颗粒物（PM2.5)，它会经过人体的上、下呼吸道，最后沉积在人体肺部，甚至通过肺部进入血液，对人体造成重大威胁[34-36]。在这种情势下，人们开始致力于PM2.5口罩的研发，将纳米技术应用在抵抗雾霾上，北京永康乐业生物科技有限公司也参与其中，公司技术总监一直同科研单位合作研发新一代的PM2.5口罩，减少雾霾给人们生活带来的影响。
PM2.5口罩实际上是将静电纺丝技术应用在过滤材料上的一个很小的应用产品。静电纺丝纳米纤维过滤材料有较高的比表面积、孔隙率和通透性，这类结构决定其容易吸附微小粒子，可将其用作各种高性能过滤材料。但需要我们关注的是静电纺丝纳米纤维材料也存在许多问题，比如材料的机械强度低、使用寿命短、纺丝过程中仍需要进一步提高纤维的均匀性、取向的一致性以及纤网的稳定性，静电纺丝生产量低、加工能力不稳定等[37-38]也需要进一步研究。但相信随着科学技术的发展，静电纺丝纳米纤维材料将有更广阔的应用前景。
参考文献：
[1]Arunima S,Arvindk,Vinodk S.Prepar-ation and characterization of N2methyl-
ene phosphonic and quaternized chitosan composite membranes for electrolyte separations[J].Journal of Colloid and Interface Science,2006(303):484-493.
[2]李新娥工业过滤布的生产及应用领域[J].毛纺科技,2004(7):46-49.
[3]A hn Y C,Park S K,Kim G,et al.Development of high efficiency nano filters made of nanofibers [J].Current A pplied Physics,2006,6(6):1030-1035.
[4]Yun K M,Chr isto pher J H,M atsubay ashi Y,et al.Nanoparticle filtrat ion by electrospun polymer fibers[J].Chemical Engineering Science,2007,62:4751-4759.
[5]Gopal R,Kaur S,Feng C Y,et al.Electrospun nanofibrous polysulfone membranes as prefilters [J].Particulate Removal,2007,289:210-219.
[6]Yang L,Hsiao W W,Chen P.Chitosan-cellulose composite membrane for affinity purification of biopolymers and immuno adsorption[J].Journal of Membrane Science,2002(197):185-197.
[7]杜晓明,徐忠厚,韩春媚.静电纺丝过氯乙烯纳米纤维膜对PM-10去除效果的研究[J].环境科学研究,2006,19(1):46-48.
[8]SHINC.Filtration application from recycled expanded polystyrene[J].Journal of Colloid and Interface Science,2006(302):267-271.
[9]GOPAL R,KAUR S,MA Z.Electrospun nanofibrous filtrationm embrane[J]
.Journal of Membrane Science,2006(281):
581-586.
[10]CONDOM S,LARBOT A,YOUNSSI S https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,e of ultra and nanofiltration ceramic membranes for desalination[J].Desalinati-
on,2004(168):207-213.
[11]QIN Xiaohong,WANG Shanyuan.Filtration properties of electrospinning nanofibers[J].Journal of Applied Polymer Science,2006(102):1285-1290.
[12]BARHATE R S,RAMAKR ISHNA S.Nanofibrous filtering media:filtration problems and solutions from tiny materials[J].Journal of Membrane Science,2007(296):1-8.
[13]Qin X-H,Wang S-Y.Filtration properties of electrospinning nanofibers.Journal of Applied Polymer Science.2006，102:
1285-1290.
[14]Yun KM,Hogan CJ,Matsubayashi Y,Kawabe M,Iskandar F,Okuyama K.Nanoparticle filtration by electrospun polymer fibers.Chemical Engineering Science.2007，62:4751-4759.
[15]Kim GT,Ahn YC,Lee JK.Characteristics of Nylon6nanofilter for removing ultra fine particles.Korean Journal of Chemical Engineering.2008,25:368-372.
[16]Kim K,Lee C,Kim IW,Kim J.Performance modification of a melt-blown filter medium via an additional nano-web layer prepared by electrospinning.Fibers and Polymers.2009，10:60-64. [17]Ahn YC,Park S K,Kim G T,etal.Development of high efficiency nanofilters made of nanofibers[J].Current Applied Physics,2006,6(6):1030-1035.
[18]Park H S,Park Y O.Filtration Properties of Electrospun ultra fine Fiber Webs[J].Korean Journal of Chemical Engineering,
2005,22(1):165-172.
[19]李从举,王娇娜,马利婵,李丽.静电纺PES微球/纤维低阻力复合空气过滤膜的研究[J].高分子学报，2014,(11):1479-1485.
[20]Bjorge D,Daels N,Vrieze S,Dejans P,Camp T V,Audenaert W,
Hogie J,Westbroek P,Clerck K,Stijn W H.Hulle V.Desalination,
2009,249:942-948.
[21]Qin X,Wang S.Journal Applied Polymer Science,2006,
102:1285-1290.
[22]Ma Z W,Kotaki M,Ramarkrishna S.Surface modified nonwoven polysulphone(PSU)fiber mesh by electrospinning:A novel affinity membrane.Journal of Membrane Science[J].2006,272(1-2): 179-187.
[23]Lee K,Kim D,Min B,Lee S.Polymeric nanofiber web-based artificial renal microfluidic chip.Biomedical microdevices.2007,9:435-442.
[24]Parvin K N.J Hazard Mater,2011,186:182-189.
[25]Teng M,Wang H.Journal of Colloid Interface Science,
2011,355:23-28.
[26]Desai K,Kit K,Li J,Davidson P M,ZivanovicS,Meyer H.
Polymer,2009,50:3661-3669.
[27]TAN K,OBENDORF S K.Fabrication and evaluation of electrospun nanofibrous antim icrobial nylon6membranes[J].Membrane Science,2007(305):287-298.
[28]Huang C,Chen S,Reneker D H,Lai C,Hou H.Advances Materisls,2006,18(5）：668-671.
[29]王兆礼．高压静电纺丝制备聚酰亚胺无纺布膜的研究．哈尔滨理工大学博士论文，２００８
[30]GRAFE T,GRAHAM K.Polymeric nanofibers and nanofiber webs:a new class of nonwovens[J].Nonwoven Technol,2003,12(1):51-55.
[31]师奇松,于建香,顾克壮.静电纺丝技术及其应用[J].化学世界,2005(5):313-316.
[32]SH IN C,CHASE G G,RENEKER D H.Recycled expanded polystyrene nanofibers applied in filter media[J].
Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.A spects,2005(262):211-215.
[33]WANG Hongxia,D ING J,LEE B.Polypyrrole coated electrospun nanofibre membranes forrecovery of Au(III)from aqueous solution[J].Journal of M embrane Science,2007(303):
119-125.
[34]柯勤飞.过滤材料全球技术发展趋势[J].产业用纺织品,2003(1):8-11.
[35]AHN Y C,PARK S K,KMI G T,et al.Developmentof high efficiency nanofilters made of nanofibers[J],Current Applied Physics,2006(6):1030-1035.
[36]MA Zuwei,MASAYA K,RAMAKR ISHNA S.Immobilization of Cibacron blue F3GA on electrospun polysulphone ultrafine fiber surfaces towards develop ing an affinity membrane for album in adsorption[J].Journal of Membrane Science,2006(282):237-244.
[37]MA Zuwei,KOTAKI M,RAMAKR ISHNA S.Surface modified nonwoven polysulphone(PSU) fiber mesh by electrospinning:A novel affinity membrane[J].Journal of Membrane Science,2006 (272):179-187.
[38]AN H,SH IN C,CHASE G G.Ion exchanger using electrospun polystyrene
nanofibers[J].Journal of Membrane Science,2006(283):84-87.
成果快报：斯坦福科学家崔屹发明低成本空气过滤器对抗雾霾
斯坦福大学的材料科学家华裔副教授崔屹（Yi Cui）近日成功研发了具备高效的半透明空气过滤器，能收集99%以上的微型PM2.5颗粒。这种空气过滤器成本低，在净化空气过程中无需电源来驱动，可应用于制造性能优良的口罩、纱窗的过滤系统。对对抗北京等地的雾霾具备极高的推广价值。北京经过实地测试确定这种新型的空气过滤器能够收集99%以上的粉尘之后依然能够保持70%以上的透明度。
来源:静电纺丝进展期刊
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/8010964813.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。
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
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/8010964813.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，
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
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
静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究
建设科技 ∣ 81部品技术与应用 建设科技CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 2018年11月上 总第371 期1 前言 随着现代化进程的加快，污染问题也越来越严重。 空气中漂浮的颗粒物浓度超标，由此形成的雾霾天气不 仅影响人们的生活，更是严重危害人民的身心健康；水 资源的匮乏也使得污水处理问题引起人们的极大关注。 因此，开发出有效拦截污染物的过滤材料是全世界共同 的目标。静电纺制备的纤维直径可达到微纳米级，且纤 维直径在一定的程度上可以进行有效调控，大到几微米 小到几十纳米。静电纺丝纳米纤维因其优良的性能被引静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究 方梦珍1 张弘楠1 覃小红1 匡宁2 （1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.中材科技股份有限公司，江苏南京 210012） [摘要]静电纺丝纳米纤维膜具有很高的比表面积、孔隙率和通透性，在多个领域都有着不可替代的作用，尤其是过滤领域。本文简要介绍了近年来国内外静电纺丝纳米纤维膜在空气过滤和液体过滤领域中的研究进展。项目团队在功能型纳米纤维过滤材料研究及产业化方面取得的研究成果，展望了未来在被动式建筑室内空气质量提升方面的应用趋势。 [关键词]静电纺丝；纳米纤维膜；空气过滤；液体过滤；被动式建筑 Progress in Application of Electrospun Nanofibrous Membranes for Filtration Fang Mengzhen 1, Zhang Hongnan 1, Qin Xiaohong 1, Kuang Ning 2 (1.College of Textile of Donghua University, Shanghai, 201620; 2.Sinoma Science & Technology Co., Ltd., Nanjing, 210012, Jiangsu) Abstract : Electrospun nanofibrous membranes enjoy high specific surface area, porosity and permeability, and have an irreplaceable role in many fields, especially in the field of filtration. This review briefly summarizes the progress on application of electrospun nanofibrous membranes in the field of air filtration and liquid filtration in recent years as well as the achievements of the project team in the research and industrialization of functional nanofiber filtration materials. The application trend to improve indoor air quality in passive buildings in the future is prospected. Keywords : Electrospun, nanofibrous membrane, air filtration, liquid filtration, passive buildings 入过滤领域，表现出极大的优势。2 静电纺丝的发展静电纺丝即高分子流体在电场下受到静电力而拉伸成丝的过程，最终固化形成纤维。其最早可以追溯到18世纪中，一种牛顿流体的静电雾化。但是真正被世人认可的静电纺丝的开端是1934年Formhals 申请的关于纺丝装置的专利[1-3]，这是首次利用高压静电制备纤维的装置，其专利详细描述了高分子溶液如何在高压DOI: 10.16116/https://www.360docs.net/doc/8010964813.html,ki.jskj.2018.21.014
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用 戚妙北京永康乐业科技发展有限公司 １．静电纺过滤材料简述 一般说来，人们对于过滤材料原材料的甄选基本会在以下几种材料中进行：天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷、矿物等等[1-2]。按照不同的加工工艺这些过滤材料可分为以下几类[3]：①机织物、针织物、编织网和纤维束等；②纺粘和熔喷无纺布；③多孔陶瓷材料；④有机膜和无机膜材料； ⑤静电纺丝材料。 传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有30%～40%[4]。从生产工艺流程角度审视，传统纤维织造过滤材料流程长，产品的生产效率低，主要通过经纬纱之间的孔隙进行过滤，滤料本身产生的阻力也比较大；且织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果过滤材料还没有形成粉尘层、过滤层清灰或者其它原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤料的过滤效率大幅下降。 在过滤材料上运用静电纺丝技术有非常多的优点，现将其归纳成以下几个方面[5-9]。 （1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器，随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。 （2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。 （3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。 （4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。 （5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。 目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3um以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景[10]。 2.静电纺丝在过滤材料的应用 根据不同的应用领域可将对于静电纺丝过滤材料的研究分为以下三个方面： 2.1气体过滤