静电纺丝技术及其研究进展_杨恩龙
静电纺丝技术及其应用研究
静电纺丝技术及其应用研究一、引言静电纺丝技术是一种利用电荷激发聚合物液体变成细纤维的方法，由于其简单、高效、低成本等优势，在纺织、生物医学、能源领域等得到广泛应用和研究。
本文将从静电纺丝技术的原理、纺丝过程、纤维特性以及应用领域等方面进行深入探讨。
二、静电纺丝技术的原理与纤维形成机制静电纺丝技术利用电荷作用将聚合物液体通过纺丝喷嘴喷射到基底上，通过电荷相互作用来形成纤维。
在电场的作用下，聚合物溶液中的分子会受到电荷的影响而变形，聚合物链会被电荷排斥并随之形成纤维。
纤维的直径和形状可以通过控制喷嘴距离、电压、液体流速等参数进行调节。
三、静电纺丝技术的纺丝过程静电纺丝技术的纺丝过程主要包括聚合物溶液的制备、喷丝装置的设计以及纤维收集等步骤。
首先，将聚合物溶解在适当的溶剂中制备成溶液。
接着，通过高压泵将聚合物溶液推送至喷嘴，在喷嘴的作用下形成细纤维，并通过电荷作用使纤维凝固。
最后，通过电极或转盘等方式将纤维收集起来。
四、静电纺丝技术的纤维特性静电纺丝技术制备的纤维具有许多独特的特性。
首先，纤维直径可调节，从几纳米到几百微米都可以制备。
其次，纤维表面光滑，纤维之间结构紧密，具有较高的比表面积。
此外，静电纺丝技术还可以制备多孔性纤维，具有较好的机械性能和生物相容性。
五、静电纺丝技术在纺织领域的应用研究静电纺丝技术在纺织领域有着广泛的应用。
例如，利用静电纺丝技术可以制备出纳米纤维膜，用于制备高性能滤料、阻燃材料等。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有特殊功能的纤维，如抗菌纤维、防紫外线纤维等。
此外，在服装领域，静电纺丝技术还可以制备出具有高透气性和柔软度的纤维，提升穿着的舒适性。
六、静电纺丝技术在生物医学领域的应用研究静电纺丝技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，利用静电纺丝技术可以制备出纳米纤维支架，用于组织工程和药物释放等。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有控释功能的纤维载体，用于缓释药物。
此外，在伤口敷料和人工皮肤的制备中，静电纺丝技术也发挥了重要作用。
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展静电纺丝技术是一种基于静电吸引原理制备纳米纤维膜的方法，近年来得到了广泛的关注和研究。
它能够将聚合物溶液通过高压电场形成纤维，并沉积在基板上制备出纳米纤维膜。
由于其简单、低成本、高效率等优点，静电纺丝技术在许多领域，如材料科学、纺织工程、生物医学等方面都得到了广泛的应用和发展。
在静电纺丝技术制备纳米纤维膜方面，研究人员主要集中在改进纺丝设备和优化纺丝工艺、探索新型纺丝材料、功能化纳米纤维膜的制备以及应用等方面。
这些研究进展为纳米纤维膜的制备提供了许多新的途径和可能性。
首先，纺丝设备及工艺的改进是静电纺丝技术发展的关键。
目前的静电纺丝装置通常采用高压发生器和喷嘴构成，但存在纤维直径分布不均匀、纤维动态不稳定等问题。
为了克服这些问题，研究人员通过改变电场设置和流体控制来实现纺丝参数的调节，如电压、喷嘴直径、溶液浓度等，以改善纤维的均匀性和稳定性。
此外，研究人员还尝试使用旋转喷嘴、多孔板等新型装置，以进一步提高纺丝效果。
其次，纺丝材料的选择和改进也对纳米纤维膜的制备至关重要。
传统上，聚合物是纺丝材料的主要选择，如聚丙烯、聚乳酸等。
近年来，研究人员还开始尝试使用天然聚合物、无机纳米颗粒和功能性添加剂等作为纺丝材料，以获得具有特殊性能的纳米纤维膜。
例如，天然聚合物纳米纤维膜具有优异的生物相容性和可降解性，在医学领域有很大的应用潜力。
此外，纳米纤维膜的功能化制备也是当前研究的热点之一。
通过添加纳米颗粒、导电材料、抗菌剂等，可以使纳米纤维膜具备光催化、导电、抗菌等特殊功能。
例如，加入二氧化钛纳米颗粒的聚丙烯纳米纤维膜在光催化降解有机污染物方面显示出良好的性能。
此外，添加导电剂可以赋予纳米纤维膜导电性能，拓展其在传感器、光电器件等领域的应用。
纳米纤维膜在许多领域中具有广泛的应用前景。
在过滤分离领域，纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙度，可以用于气体过滤、水处理等。
此外，纳米纤维膜的高比表面积和纤维间的微米级孔隙结构也使其在能量储存和催化领域有着重要的应用。
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米材料的应用领域也越来越广泛，其中纳米纤维作为一种新型材料备受关注。
静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的有效方法，其应用范围也越来越广泛。
本文将介绍静电纺丝制备纳米纤维的研究进展。
1. 静电纺丝技术概述静电纺丝技术是一种利用静电场将高分子材料制备成纳米纤维的方法。
该技术具有工艺简单、操作方便、成本低、制备纤维直径可调等优点。
静电纺丝技术离不开两个基本元素：溶液和电场。
高分子材料被溶解在溶液中，经过特定的处理后，在电场的作用下开始拉伸，形成纳米直径的纤维。
2. 静电纺丝技术的优缺点静电纺丝技术在制备纳米纤维方面具有以下优点：①纳米纤维可以制备成连续的纤维丝，其长度可达数百米以上，比传统制备方法的纤维连续性更好；②纳米纤维直径可在10纳米至数微米之间调节；③制备成纳米纤维的材料具有极高的比表面积和孔隙度，这些特性使得其在耐热性、膜分离、天然气储存等方面具有广泛的应用前景。
但是，静电纺丝技术也存在一些缺点：①纤维纳米化会导致纤维的拉伸力和断裂十分容易，因此在制备过程中需要控制拉伸度，避免出现纤维过于脆弱导致纤维丝断裂；②由于溶剂挥发以及电场造成的电荷分布不均，容易导致制备的纳米材料出现不均匀性和不稳定性。
3. 静电纺丝技术的进展目前，在静电纺丝技术领域已有许多研究成果。
例如，在制备金属氧化物、生物纳米纤维、纳米复合材料、药物等方面都有广泛的应用。
例如，学者们在制备PCL（聚己内酯）纳米纤维过程中，将X射线光谱法和原子力显微镜（AFM）技术结合，探究了纤维的结构、力学性能和表面形貌等。
研究结果表明，纤维直径的变化可以显著改变材料的力学性能。
在另一项研究中，学者们使用静电纺丝技术制备出药物包被的聚乳酸（PLA）纳米纤维，实现了药物的缓慢释放，有望在医药领域得到应用。
4. 静电纺丝技术未来发展随着人们对纳米材料需求的增加，静电纺丝技术的应用前景也越来越广阔。
静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究
静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究随着科学技术的快速发展和产业的不断创新，纳米材料的制备和应用逐渐成为了研究的焦点。
静电纺丝纳米纤维制备技术就是一种常见的制备纳米材料的技术。
本文将对静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究进行探讨。
一、静电纺丝纳米纤维制备技术静电纺丝技术是利用电场将高分子液体喷出微米甚至纳米级别纤维的一种制备技术。
静电纺丝技术制备纳米纤维在多个领域得到了广泛应用，例如纺织、生物医学、环保等领域。
静电纺丝技术的原理是将高分子液体通过一个细小的孔洞喷射出来，这个过程中，高分子液体受到外界电场的作用，会形成纤维状的微米级别的细丝。
这些细丝经过后续的处理，就能够得到纳米级别的细丝。
静电纺丝技术制备的纳米纤维具有较大比表面积、高比强度、优异的力学性能、良好的电学性质及生物相容性等优点。
静电纺丝技术制备的纳米纤维可以根据不同的材料和应用领域调整其尺寸和形貌，液态中除了高分子溶液，还可以纯化的金属溶液、无机盐溶液、碳纳米管等物质。
二、静电纺丝纳米纤维的应用研究1、生物医学领域由于纳米纤维具有高比表面积等特性，因此在生物组织工程、体内药物释放、生物传感等领域得到广泛应用。
静电纺丝纳米纤维制备的支架具有具有高比表面积、良好的生物相容性、高度的空隙率和良好的可控性等特点。
这些特点使纳米纤维支架成为了生物组织工程领域的研究热点。
纳米纤维支架通过结构的调节、复合材料制备、表面修饰等方法，可以在生物组织中实现不同的生物学功能，如增强细胞的定向生长、促进纤维组织的生长等。
静电纺丝纳米纤维制备的载药纳米材料具有良好的生物相容性和药物的缓释性能。
这种材料可作为药物释放的载体，以实现更加精准的药物治疗。
纳米纤维在其表面修饰上引入不同的生物分子，如细胞识别和粘附分子，不仅能提高纳米纤维植入后的细胞组织相容性，还可以促进细胞的黏附和增殖等。
2、纺织领域静电纺丝技术制备的纳米纤维具有高比表面积、孔隙结构和微结构控制性能等特点，因此在纺织领域应用也得到了快速发展。
国内外静电纺丝技术的研究进展
提 高了静电纺丝的产率 ，但仍有很多问题亟待解决 。本文主要介绍了静 电纺丝技术的发展进程及面临的问题 。
关键 词 ：静 电纺丝；纳米纤维 ；技术进展 中图分类号 ：Ｔ Ｑ ３ ４ ０ ． ６ ５ 文献标识码 ：Ａ
Ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｐ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｔ Ｈ ｏ ｍｅ ａ ｎ ｄ Ａｂ ｒ ｏ ａ ｄ
１ 国内外静电纺 丝技 术的理论研究现 状
静电纺丝过程中的带电聚合物 ， 在电场力、 表面张力和
黏 弹力的 共 同作用下 ， 会发 生 形 变， 由圆形 变 为椭 圆形 ， 进 而变 为锥 形。 当电场力增大 到一定程 度时 ， 聚合 物就会在 锥
液 的粘弹 性 、 电荷分布 以及溶 液 的表 面 张力是 影 响珠 丝 形 成的关键 因素 。 Ｊ ． Ｍ． Ｄ ｅ ｔ ｉ ｚ ｅ ｌ 等 在工艺 参数 对 纤维尺寸 的影 响的研 究 中 发现 ， 纺丝电压和溶 液浓 度是最 重要 的工艺参 数。 纺丝电压
静电纺丝技术制备纳米纤维的实践与研究
静电纺丝技术制备纳米纤维的实践与研究近年来，随着科技的发展和人类对新材料需求的不断增加，制备出具有优异性能的新材料成为了学术界和工业界研究的热点。
其中，纳米纤维是一种常见的新材料，因其独特的物理、化学、生物学等性质，被广泛应用于医学、电子、能源、环保等领域。
静电纺丝技术是制备纳米纤维常用的一种方法。
本文将对静电纺丝技术制备纳米纤维的实践与研究进行介绍。
一、静电纺丝技术概述静电纺丝技术是利用高电场的作用下，将高分子溶液或熔体从给定的毛细孔中顺利流出，在电场的作用下瞬间成为纳米级的连续纤维。
该技术具有简单、易于操作、成本低廉、制备出来的纳米纤维分散性好、比表面积大、孔隙结构和多孔性好等优点，很适合用于纳米纤维材料的制备。
二、实践应用1.医学领域静电纺丝技术制备的纳米纤维在医学领域中有着广泛的应用。
利用静电纺丝技术制备的生物可降解材料，如聚乳酸、聚酯等高分子材料，可用于制备修复膜、人工皮肤等医学材料。
同时，利用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜还可以作为药物释放系统，以帮助治疗癌症、感染和其他疾病。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有抗菌、抗炎、促进愈合力等特性的纳米纤维材料，可以用于医疗用品的生产。
2.环境保护领域利用静电纺丝技术制备的纳米纤维，在环保领域中也有着重要的应用。
静电纺丝技术制备的高性能纳米纤维可以用于处理污染水和空气等，可制备出高效的吸附材料，如滤纸、空气过滤器、饮水管道等。
此外，纳米纤维材料还可以应用于纳米复合材料、防护材料、热障涂层等方面，降低了环境污染，提升了环保水平。
3.能源领域利用静电纺丝技术制备的纳米纤维在能源领域中也有着广泛的应用。
静电纺丝技术制备的纳米纤维材料可以应用于制备电池、超级电容器、太阳能电池等材料，具有良好的性能。
三、静电纺丝技术的研究进展静电纺丝技术制备纳米纤维的研究已经成为炙手可热的领域，许多研究者对其进行了深入的研究和探讨。
1.高性能材料制备研究者们开始探索利用静电纺丝技术制备出高性能材料。
高效静电纺丝制备纳米纤维的技术研究
高效静电纺丝制备纳米纤维的技术研究随着现代科技发展的迅速进步，纳米材料已经成为一个不可忽视的研究领域。
纳米纤维作为一种高性能的材料，在生物医学、化学工业、能源材料、环境保护等领域得到了广泛的应用。
静电纺丝技术已经成为制备纳米纤维的重要手段之一，其可制备连续、均匀、高性能的纳米纤维。
本文将分析纳米纤维的概念、静电纺丝技术基本原理、静电纺丝纳米纤维的应用和研究进展。
一、纳米纤维的概念纳米纤维是一种直径范围在10-1000纳米之间的纤维材料，巨大的高比表面积使其具有许多特殊的性质，如高比表面积、高比强度、高比保水性和高比吸附能力等。
其物理和化学性质的优秀特性已经在生物医学、领域和基础研究等领域得到了广泛应用。
二、静电纺丝技术基本原理静电纺丝技术是一种重要的纳米纤维制备方法，可以制备高品质的纳米纤维。
该技术主要用于聚合物溶液的纳米纤维制备，其基本原理是将高电压施加于聚合物溶液中，使聚合物溶液从微孔或喷头中喷出，在高电场作用下，聚合物溶液中的分子受到电极的诱导而逐渐凝聚成纤维，形成纤维纳米尺寸。
三、静电纺丝纳米纤维的应用静电纺丝技术制备的纳米纤维因其纤维直径、孔径调控、纤维排列和多孔性能等优势被广泛应用在生物医学、食品包装、过滤材料、传感器、催化剂等领域。
如在生物医学中，静电纺丝纳米纤维应用较为广泛，可用于细胞培养支架材料、组织工程、药物缓释和仿生材料等方面。
此外，针对环境污染和航空航天等领域的特殊性质需求，静电纺丝纳米纤维的应用也得到了更深入的挖掘和延伸。
四、静电纺丝制备纳米纤维技术的研究进展在研究静电纺丝制备纳米纤维技术的过程中，人们通过控制溶液的成分、控制纤维的形状和孔隙等方法，制备出了各种纳米材料。
其中，对于聚合物纳米纤维，通过改变聚合物的性质和分子结构，可以控制纤维的直径、形状和内部孔径。
近年来，还有学者在纳米纤维制备中引入了电纺-喷涂一体化技术、生物制备纳米纤维等新的技术手段，不断拓展纳米纤维的使用领域。
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。
静电纺丝技术制备纳米纤维材料的研究与应用
静电纺丝技术制备纳米纤维材料的研究与应用引言：纳米科技的快速发展带来了许多前所未有的新材料和应用。
纳米纤维材料作为一种重要的纳米材料，在各个领域展示出了广阔的应用前景。
静电纺丝技术作为一种常用的制备纳米纤维材料的方法，凭借其简单、高效、可控性强的特点，受到了广泛的关注与研究。
本文旨在介绍静电纺丝技术制备纳米纤维材料的原理与过程，并探讨其在不同领域的应用潜力。
1. 静电纺丝技术概述静电纺丝技术是一种通过高电场作用下将聚合物溶液或熔体形成纤维的技术。
其基本原理为将容器中的聚合物溶液或熔体通过尖端形成纳米尺度的液柱，然后加高电压使液柱发生弯曲，并在空气中快速固化成纤维。
通过控制溶液的流速、电压、尖端直径和距离可以调节纤维的直径和形态，实现纳米尺度下的制备。
2. 静电纺丝技术制备纳米纤维材料的优势2.1 高效而可控的纤维制备静电纺丝技术可以制备纤维直径从几纳米到几微米的范围内的纳米纤维材料。
通过调节工艺参数，能够实现对纤维直径和形态的精确控制。
这种高效而可控的纤维制备特性使得静电纺丝技术在材料科学、纺织、医疗等领域得到广泛的应用。
2.2 纳米纤维材料的独特性能由静电纺丝技术制备的纳米纤维材料具有很多独特的性能。
首先，纤维直径纳米尺度下的纳米纤维材料具有较大的比表面积，使得其在能量存储、传感器、催化剂等领域具有更好的性能。
其次，纳米纤维材料具有高强度和高可拉伸性，可用于制备高性能纺织材料、过滤器、生物医学支架等。
此外，纳米纤维材料还具有优异的透气性和防护性能，可应用于口罩、防弹材料等领域。
3. 静电纺丝技术在不同领域的应用3.1 纺织领域静电纺丝技术制备的纳米纤维材料在纺织领域具有广阔的应用前景。
其具有的高比表面积和高强度使其成为制备高性能纺织材料的理想选择。
例如，将静电纺丝纳米纤维与常规纺织纤维结合，可以制备出具有更好透气性、抗菌性和防尘性能的纺织品。
此外，纳米纤维材料还可以被用于制备高效过滤材料和防弹材料。
静电纺丝技术及其研究进展
静电纺丝技术的未来发展
静电纺丝技术的未来发展
静电纺丝技术未来的发展将聚焦于提高生产效率、拓展应用领域以及实现绿 色生产等方面。具体来说，以下几个方面值得：
静电纺丝技术的未来发展
1、生产效率：提高生产效率是静电纺丝技术的重要发展方向。未来可以通过 优化生产工艺、引入新型设备等方式提高静电纺丝技术的生产效率，以满足日益 增长的市场需求。
静电纺丝技术的原理与特点
静电纺丝技术的原理与特点
静电纺丝技术是一种利用静电场牵引高分子流体进行定向排列和固化成纤维 的方法。在静电纺丝过程中，高分子流体受到静电场的牵引力，会在负电极表面 形成一层液膜，液膜在静电场中会逐渐变薄并最终固化成纤维。静电纺丝技术具 有以下特点：
静电纺丝技术的原理与特点
1、可制备纳米级纤维材料：静电纺丝技术可以制备出直径为纳米级别的纤维 材料，具有极高的比表面积和孔隙率，有利于提高材料的吸附性能和过滤效率。
静电纺丝技术的原理与特点
2、适用范围广泛：静电纺丝技术可以用于制备各种高分子材料、金属材料和 无机材料等，具有广泛的适用性。
静电纺丝技术的原理与特点
3、生产效率高：静电纺丝技术可以实现大规模生产，有利于降低生产成本和 推广应用。
静电纺丝技术的研究进展
1、静电纺丝技术的分类及其法
静电纺丝技术根据纺丝液的物理状态可以分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝 两种。溶液静电纺丝是将高分子溶液通过注射器注入到电场中，然后高分子溶液 在电场中形成纤维；熔体静电纺丝是将高分子材料加热到熔点以上，通过喷头形 成细丝，然后在电场中固化成纤维。
静电纺丝技术的分类
2、熔体静电纺丝：熔体静电纺丝是将高分子材料加热到熔点以上，然后通过 静电场的作用拉伸成丝。该方法适用于制备高温性能优良的纤维材料。熔体静电 纺丝的优点是可加工温度高，缺点是对于热敏性材料可能会导致热损伤。
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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1934Fo 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]1966S 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]1981L arrondo等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔融静电纺丝的研究[3]1995R eneker研究组开始对静电纺丝进行研究。
静电纺丝迅速发展[4]1999Fong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]2000Spivak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(卧表2 静电纺丝的影响因素纺丝液性质纺丝工艺参数环境参数聚合物分子量施加电压温度纺丝液粘度针头到收集板的距离湿度纺丝液浓度纺丝液流量纺丝室气流速度纺丝液电导率纺丝液弹性纺丝液表面张力式)的主件与喷丝头收集板垂直排布的静电纺丝机相同,只是方向不同而已。
2.3 取向排列纳米纤维静电纺丝机收集取向排列纳米纤维的方法有高速旋转的收集筒、辅助电极/电场、铁饼型收集轮、收集框等。
Pan[10]用双喷丝头静电纺丝装置纺得连续的纳米纤维纱线并能较好地取向收集。
2.4 高产量静电纺丝机一种是使用多喷头来提高纺丝产量的静电纺丝机,称为转子纺丝机(roto rsp i n ner)。
因为不同喷丝头之间有静电干扰,设计非常复杂。
另一种是改变纺丝液带电方法的静电纺丝机,如用电晕放电或场发射电子枪。
采用这类方法,纺丝液的流量已经可达50m l/s[11]。
2004年11月3日纳米蜘蛛丝样机问世,这是世界上首台纳米纤维纺丝机,可大规模低成本生产纳米纤维材料。
3 静电纺丝射流稳态和非稳态的研究静电纺丝得到的纤维之所以细,是因为射流在静电场的拉伸中存在不稳定过程,从这个角度讲不稳定是有利的,但射流的不稳定又带来静电纺丝工艺的难可控性。
研究静电纺丝射流特别是不稳定部分,对更好地理解静电纺丝原理和改进静电纺丝工艺有着极为重要的意义。
3.1 射流的稳定部分Spivak[12]研究了射流半径和轴向位置之间的关系,并建立了射流半径和轴向位置的微分方程。
Q i n[13~14]分析了纺丝液中加盐对表面电荷及射流的稳定性的影响,盐的浓度大,纺丝液射流的稳定长度变短,不稳定性增强,并研究了盐的加入对射流半径和轴向位置的影响。
3.2 射流不稳定部分静电纺丝中会出现三种不稳定性状况,第一种是粘性(Ray le i g h)不稳定性,第二种是曲张不稳定性,第三种是弯曲不稳定性。
后两个不稳定性状况完全是射流的表面电荷在电场的作用下引起的,而且可能随纺丝射流的伸展而放大。
Yu[15]研究了Ray leigh不稳定性对射流的影响。
定义Deborah num ber(=溶液松弛时间/射流不稳定产生时间)来描述Ray le i g h不稳定性。
D eborah num ber大,Ray leigh不稳定性受到抑制,射流不会分裂成液滴,射流在静电场中形成静电纺丝而不是静电喷涂。
Yu还导出了Rayle i g h不稳定性完全抑制时的射流弹性应力的临界值。
高压静电场下高聚物溶液喷射流的不稳定的主要原因为: 高压静电场下射流表面电荷的相互排斥; 分裂液滴间或更细射流间的相互排斥; 射流与环境流体的混合流动。
4 静电纺丝技术的新进展静电纺丝本来就是一个多学科交叉的技术,目前静电纺丝还和其他方法结合起来制造功能性纳米纤维,学科交叉更加明显。
4.1 静电纺丝和凝胶溶胶Shao[16]等用凝胶溶胶和静电纺丝技术制成聚乙烯醇/醋酸镁纳米纤维。
所得纤维在真空中70 干燥129h,然后以每240 /h升温到400~ 800 ,再在需要的温度上煅烧10h,得到直径在50~150nm范围内的氧化镁纳米纤维,其形态和结晶相受到煅烧温度的极大影响。
煅烧以后,聚乙烯醇大分子和醋酸根离子被移除,纤维变细。
煅烧温度足够高,可得到纯氧化镁纳米纤维。
Zhang[17]静电纺丝制得凝胶纳米纤维,并用饱和的戊二醛在室温下使其产生交联来获得拒水及一些热机械性能,以满足生物上应用的要求。
4.2 静电纺丝和炭化静电纺丝法制得聚丙烯腈纳米纤维并预氧化和炭化得到碳纳米纤维。
2003年美国Pennsy lva n ia大学Santiago Av iles提出静电纺丝法制备碳纳米纤维的技术,他们将聚丙烯腈和N,N 二甲基甲酰胺(D M F)溶液混合后纺出的前驱聚丙烯腈单体纤维在真空炉中高温(1273K)分解30m i n,得到直径在120n m左右高度无序的碳纤维。
炭化的不足之处是所得的纳米纤维在预氧化和炭化的过程中难以均匀施加张力;静电纺纳米纤维取向低,强力低,导致炭化后碳纤维的取向和强力也较低。
4.3 静电纺丝和后整理W ong[18]用静电纺丝制得聚乙烯醇纳米纤维膜并在室温下用金属箔在每平方厘米膜植上带1.2 1016个电荷的N+。
整理后聚乙烯醇纳米纤维上形成了N C O和C N两种功能性基团。
整理后纳米纤维直径降低30%到74nm。
W ong认为离子束整理的时候聚乙烯醇分子因温度升高而产生交联,整理完以后在真空中较长时间的冷却使得纤维内部聚乙烯醇分子结构重组。
M a[19]由静电纺丝制得聚砜纳米纤维膜并通过铈诱发在膜上接枝甲基丙烯酸,其目的是纳米纤维表面上接 COOH、 NH2这样的活性基团,再用活性基团 绑定 如蛋白质这样的功能基团。
Y ang[20]将静电纺聚乙烯醇纳米纤维收集在铟锡氧化物(I T O)基布上,在真空中100 处理24h以后聚乙烯醇大分子产生交联使其不易水解且和I T O基布紧密地结合在一起。
Yang还用静电在纳米纤维膜上涂上一层带相反电荷的物质,使其能够对光变色。
5 静电纺纳米纤维膜的应用5.1 生物医用材料静电纺纳米纤维膜用作组织工程支架;作组织修复(如血管修复)材料;作三维的细胞培养膜;作药物控释包裹膜。
静电纺纳米纤维膜用作隔离膜能防止机体组织在愈合过程中相互粘连;还可用作创伤包敷材料。
5.2 过滤材料静电纺纳米纤维膜可制作吸附材料和过滤材料。
Yoon[21]用聚酯非织造布接收聚丙烯腈纳米纤维膜,再用化学的方法在膜上涂上一层亲水、抗水解、水可以渗透的壳聚糖薄膜,解决了纳米纤维膜微孔在过滤时容易淤堵的问题。
5.3 复合增强材料用纳米纤维作增强材料可能具有较常规纤维增强复合材料更好的力学性能,且当复合材料中纤维的纳米材料尺寸小于可见光波长时,材料会是透明的。
由于静电纺丝超细纤维具有高比表面积,还可用于提高层压复合材料的层间剪切强度。
5.4 传感器纳米纤维膜具有高的比表面积,因此用纳米纤维膜做传感器感知膜,可以提高灵敏度。
Ped ici n i[22]用聚碳酸酯混入炭黑纺制的静电纺纳米纤维膜做温度传感器,还将生物酶和静电纺纳米纤维膜结合制作生物传感器。
D i n g[23]将静电纺聚丙烯酸纳米纤维膜敷在水晶微量天平上作为气体传感器。
5.5 超拒水材料静电纺丝稀溶液(生成较多的串珠)制得二元协同界面的纳米纤维膜具有超拒水性能。
Zhu[24]以静电纺丝制得聚苯胺/聚苯乙烯复合纳米纤维膜,具有超拒水性能、良好的导电性能、耐酸耐碱性。
5.6 新型纤维用静电纺丝技术开发新型纤维,其工艺简单、成本低廉,且前途非常广阔。
Pan[25]由静电纺丝所获二氧化锡纳米纤维可防远紫外光辐射。
Shao[16]通过静电纺丝制得氧化镁纳米纤维可制作纳米电子、光电子、传感器等的功能元件。
5.7 服装利用纳米纤维的低密度、高孔隙度和大的比表面积可做成多功能防辐射防护服。
6 学科领域研究展望(1)静电纺丝影响因素,特别是静电纺丝不稳定性也即静电纺丝纤维能细到纳米级的原因有待深入研究,以更好地控制纺得纳米纤维的质量。
(2)开发产量高的静电纺丝机,将静电纺纳米纤维从实验室推向市场,以求成果的产业化。
(3)从单体聚合开始做起,加入功能型基团或颗粒,开发新型静电纺纳米纤维。
(4)纳米纤维(膜)结构、性能等的表征还没有固定或准确的方法和工具,有待开发。
如纳米纤维(膜)的内部结构、力学性能等的表征方法。
参考文献[1] FORMHALS A.P ro cess and apparatus f o r prepar i ng a rtifi c ial t hreads:U S,1,975,504[P].1934.[2] SI M ON S H L.P rocess and apparatus fo r produc i ng patterned non-woven fabrics:US,3,280,229[P].1966.[3] LARRONDO L,J OHN R S T.E l ectrostatic fi ber sp i nn i ng fro m poly m e r m elts[J].J Po ly m Sc i Po ly m Phys,1981,19:909.[4] DOS H I J,REN E K ER D H.E l ectrosp i nn i ng process andapplica ti ons of e l ectrospun fi bers[J].E lectrostat,1995,35:151.[5] FONG H,C HUN I,RENEKER D H.Beaded nanofibers for m ed during electrosp i nng[J].Po ly m er,1999,40:4585.[6] BUCHKO C,CHEN L C,S H E N Y,e t a.l P ro cessi ngand m icrostruc t ura l cha racte rization of porous b i ocompatible pro tein po ly m er thin fil m s[J].Po l ym er,1999,40:7397.[7] SP I VAK A F,DZEN IS Y A,RENEKER D H.A m ode lo f steady state jet i n the e l ec tro spi nni ng process[J].M ech R es Com,2000,27:37.[8] R E N EKER D H.Bendi ng i nstability o f electricall ycharg ed li qu i d j e ts o f po l ym er so l uti ons in electrosp i nn i ng[J].A pp l Phys,2000,87(9):4531.[9] 覃小红,王新威,胡祖明,等.静电纺丝聚丙烯睛纳米纤维工艺参数与纤维直径关系的研究[J].东华大学学报,2005,31(6):16 21.[10]PAN H,L I L M,HU L,et a.l Conti nuous ali gned po lym er fibe rs produced by a mod ifi ed electrosp i nn i ngm ethod[J].Po ly m er,2006,47(14):4901 4904. [11]吴大诚.纳米纤维[M].北京:化学工业出版社,2003:44.[12]SP I VAK A F,DZE N IS Y A.A sympto ti c decay o f radiuso f a w eakly conduc ti ve v i scous Je t in an ex ternal e l ectricfi e l d[J].A pp l P hys L ett,1998,73(21):30673069.[13]Q I N X H,WANG Y Q,HE J H,et a.l E ffect of L i C lon electrosp i nn i ng o f PAN poly m er so l ution:t heoretica lanalysis and exper i m enta l ver ifi cati on[J].P o l yme r,2004,45:6409 6413.[14]Q I N X H,WANG S Y,S ANDRA T,et a.l E ffect o fL i C l on t he stab ility l eng th of e l ec tro spi nni ng j et by PANpo ly m er so l uti on ma teria l s[J].P o l yme r,2005,59:3102 3105.[15]YU J H,FR IDR I KH S V,RUTLEDGE G C.The ro leo f elasti c ity i n the for m ati on of e lectrospun fi bers[J].P o l ym er,2006,47(13):4789 4797.[16]S HAO C L,GUAN H Y,L I U Y C,et a.l M gO nano fibres v ia an e lectrospi nning techn i que[J].Journa l ofM ate rial Science,2006,41(12):3821 3824.[17]Z HANG Y Z,VENUGOPAL J,HUANG Z M,e t a.lC rosslink i ng o f the e l ectrospun g elati n nano fi be r[J].Po l ym er,2006,47(8):2911 2917.[18]W ONG K K H,Z I NKE ALLM ANG M,W an W K.N+surface dop i ng on nanosca l e po l yme r fabrics v ia i on i mplantati on[J].N uclear Instruments&M ethods i n Physics R esearch Section B bea m Interacti ons w ithM ate rialsand A tom s,2006,249:362 365.[19]MA Z W,RAM AKR IS HNA S.Ce(I V) i nduced graftcopo l ym erization o f m ethacry lic ac i d on electrospunpo l y s u l phone non w oven fi ber m e m brane[J].Journa l ofAppli ed P oly m er Sc i ence,2006,101(6):38353841.[20]YANG G C,GONG H,YANG R,et a.l M odifica ti on ofelectrode surface t hrough e lec tro spi nni ng fo llo w ed byse lf asse mb l y m ultilayer fil m of po lyoxom eta l a te and itspho t o chrom i c[J].E lectroche m istry Co mmunicati ons,2006,8(5):790 796.[21]YOON K,K I M K,W ANG X F,e t a.l H i gh fl ux ultrafiltrati on m e m branes based on electrospun nanofi brousPAN scaffo l ds and ch itosan coa ti ng[J].Po ly m er,2006,47(7):2434 2441.[22]PED ICIN I A,FARR IS R J.Ther m a lly i nduced co l o rchange i n electrospun fi ber m ats[J].J Po ly m Sc iPo ly m Phys,2004,42:752.[23]D ING B,YAMA ZAK IM,S H I RATOR I S.E lectrospunfibrous po l yacry lic acid m e m brane-based gas sensors[J].Sensors and A ctuators,2005,106:477 483. [24]Z HU Y,ZHANG J C,ZHENG Y M,et a.l Stab l e,s uperhydrophob i c,and conducti v e po lyan ili ne/po lysty renefil m s for corros i ve env iron m ents[J].A dvaned Fuctiona l M ate rials,2006,16:568 574.[25]PAN C,GU Z Z,NAGA I K,et a.l Sn O2targe t w ith contro ll able m i crostructure and t h ickness f o r genera ti ngextreme u ltravio l e t ligh t[J].Journal o fA ppli ed P hysics,2006,100(1):3.(下转第14页)Researc h and develop m ent of spunlaced non wovens w ithhi gh absorbent a nd poro meri c co mpound w ebH an Xu (Shaox i ng H ezhong F i ber Co.,Ltd)Wang X iangqin,J in X iangyu (Donghua Un i versity)Abst ract:Super absorbent and poro m eric co mpounded w eb nonwovens is m ade of hydro entang le m ent specially po l y esters and h i g h absor bent and super w hite v iscoses.Th i s paper expa tiates on the m ateri a ls,tec hnics,features and use of the ne w nonwoven m a teria.lK eywords:h i g h absorben,t high poro m eric,co mpounded w eb,spun laced nonw ovens,hydro entang le m ent po lyes ter fi b er,h i g h absorbent and super wh ite v i s cose fiber(上接第6页)50%以上;2005年中国涤纶工业长丝产量达26.5万,t其中出口近3万,t2006年涤纶工业长丝产量达30.6万,t其中出口接近8万,t但高端特种产品仍靠进口解决。