静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术的原理及应用前景
静电纺丝技术的原理及应用前景随着时代的发展，科技的不断进步，纺织工业也不断得到新的提升，其中静电纺丝技术是近年来突破性的技术之一。
静电纺丝是一种新型的材料制备方法，这种方法可以制备出极细的纤维，具有应用前景广阔。
一、静电纺丝技术的原理静电纺丝是指通过高压电场将高分子材料纤维化的一种方法，其原理是利用电场的力量将聚合物液滴从尖端拉伸，喷到距离高压电极的距离处，同时在喷雾丝所在的电场下强制拉伸成纤维形状。
这种方法可以制备出直径从几纳米到几微米的纳米级纤维。
在静电纺丝技术中，原料物质首先通过溶液的形式送入静电纺丝装置中。
将溶液注入静电喷射电极中，当喷出的溶液滴遇到高压静电场时，液滴表面产生了电荷，由于同性相斥，液滴表面会产生一种电势差，从而导致溶液滴的形成变成了锥状，直至其顶端形成了一个纤维化的喷嘴。
当荷电的液滴通过电场的作用被拉伸时，产生了“喷点”对应的“收点”，在喷点到收点之间产生了电张力，从而拉伸液滴，形成如丝质般的超细纤维。
二、静电纺丝技术的应用前景1. 医疗卫生领域静电纺丝技术在医疗卫生领域的广泛应用。
由于其制备的纤维可模拟自然生物纤维的结构，因而制得产品具有很好的生物有效性，可以用作人工血管、人工血小板、人工心脏瓣膜、骨结构支架等等。
也可以制备用于防疫物资、医疗包装、医用敷贴等等。
2. 纺织领域静电纺丝技术在纺织领域是一种绿色技术。
传统的纺织产品采用有机溶剂、洗涤液等，会产生大量的有害气体和废液，造成严重的环境问题，而静电纺丝可以在无需溶剂的情况下将纤维化，不会污染环境，符合绿色可持续发展的理念。
由于其优秀的性能，静电纺丝技术的应用在穿戴、防守装备、运动装备等方面具有广阔的前景。
3. 能源领域静电纺丝技术可以制备高性能的锂离子电池、超级电容器等能源材料。
新型锂电池具有高比能量、长循环寿命、快速充放电等特点，已经成为电动汽车、移动设备等新型电源的首选。
静电纺丝技术可以制备纳米级、微米级的无序三维材料结构,极大提高了锂离子电池和超级电容器电极的电荷传递速率。
静电纺丝技术的原理及其在材料科学中的应用
静电纺丝技术的原理及其在材料科学中的应用随着科学技术的不断进步，人们对于材料科学的研究也越来越深入。
材料科学是研究材料制备和性质的学科，它涉及到各种不同的材料，包括金属、陶瓷、聚合物、纳米材料等等。
其中，聚合物材料因其在生活中广泛应用而备受关注。
聚合物材料可以应用于制作纤维、塑料、涂料等，因此也被广泛应用于纺织、汽车、医疗等方面。
而静电纺丝技术在聚合物材料制备领域中扮演着重要的角色。
本文将从静电纺丝技术的原理，以及其在材料科学中的应用方面进行阐述。
一、静电纺丝技术的原理静电纺丝技术是一种制备纤维的方法，它利用了静电力和表面张力的相互作用来产生纤维。
这种方法可以制备出细纤维，其直径一般在几微米到几十微米之间。
静电纺丝技术的原理主要可以分为三个部分：溶液喷射、电荷分布和纤维定向。
首先，静电纺丝技术的第一步是将聚合物材料溶解在有机溶剂中。
这种有机溶剂可以是丙酮、DMF、水等等。
当聚合物溶解在有机溶剂中后，形成的溶液会被输送到一个注射器中。
其次，当聚合物溶液被注入到注射器中后，溶液会通过注射器的喷头被喷射出去。
这种喷射过程会使溶液形成液滴，而液滴的大小主要取决于喷射器喷头的大小和溶液的性质。
然后，这些液滴会在喷射过程中被荷电。
这是因为在液滴喷出喷头的同时，喷头会将电荷转移到液滴表面。
这样，液滴表面就会带有荷电，并形成一个电荷云。
这个电荷云会影响液滴周围的空气，并在液滴周围形成一个静电场。
最后，当液滴喷出喷头后，它们会逐渐失去荷电，并且在空气湿度和温度的影响下开始凝固。
在凝固的过程中，液滴表面的荷电云会逐渐消失，而液滴的表面张力则会促使液滴向外展开。
这样，液滴的形状就会变成一个细长的纤维团簇，并且整个过程会被静电力所主导。
二、静电纺丝技术在材料科学中的应用静电纺丝技术广泛应用于各种领域，包括医学、纺织、滤清器等。
在医学方面，静电纺丝技术已经应用于制备医用面膜、绷带、人工血管等。
在纺织方面，静电纺丝技术可以制备纳米纤维薄片、织物等。
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用静电纺丝技术是近年来较为成熟的纳米纤维制备技术之一，具有高效、简便、易操作等特点。
本文将介绍静电纺丝技术的基本原理，探讨其应用领域，并简单举例说明。
一、静电纺丝技术的基本原理静电纺丝技术是指将高分子溶液通过高压电场作用，形成纳米级的纤维。
其工作原理基于三个主要因素：高分子的表面张力、电荷密度和电场强度。
在电场的作用下，载有电荷的高分子溶液会形成电荷分布，随后在电场的作用下，溶液中的高分子链状分子朝向电极移动而形成了纳米级的纤维。
这些纳米纤维以径向跟随电场分布，并且由于高分子链间的极性相互作用力、表面张力等因素的固化作用下逐渐形成完整的纳米纤维膜。
二、静电纺丝技术的应用领域(一) 高分子工业静电纺丝技术在高分子工业上有着广泛的应用。
由于其纳米纤维的特殊性质，可以增强高分子材料的机械性能、光学性能、电学性能等特征。
高分子纳米纤维的应用范围涉及到纺织品、防辐射针织品、过滤器、滤清器、气凝胶、船用材料等。
(二) 食品科学静电纺丝技术在食品科学中也有着广泛的应用。
利用静电纺丝技术制备的纳米纤维对于食品中的油脂、营养成分、气味等具有吸附、封存、保护的效果。
同时，纳米纤维膜具有较高的透气性能和大表面积，可以被应用于保鲜、包装、防霉、防菌等方面。
(三) 医药领域静电纺丝技术在医药领域中的应用较为广泛。
制备高分子纳米纤维材料用于医疗设备的制造，例如口罩、医用手套、敷料等。
此外，静电纺丝在药物传输、生物识别、细胞培养、组织修复等方面也有着广泛的应用。
三、例子详解——静电纺丝技术制备抗菌口罩随着新型冠状病毒的传播，口罩成为了人们必备的生存物品。
传统的口罩材料往往有着较为严重的缺陷，无法对抗空气中的病原体产生作用，再加上长时间佩戴，出现细菌和真菌的滋生。
基于静电纺丝技术的口罩材料则可以有效地解决上述问题。
利用静电纺丝技术，制备的口罩材料具有高度的表面积，并且具有极佳的抗菌和透气性能。
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。
静电纺丝的原理及应用
静电纺丝的原理及应用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。
静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。
在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。
这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。
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。
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。
应用静电纺丝技术制备的纳米纤维，具有比表面积大、孔隙率高、尺寸容易控制、表面易功能化（如表面涂覆、表面改性）等特点，在许多领域都有重要的应用价值。
静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。
静电纺丝技术的发展与应用
静电纺丝技术的发展与应用静电纺丝技术是一种将聚合物溶液或熔体通过高电压电场加工成纳米级或亚微米级细纤维和薄膜的方法。
20世纪30年代初，人们开始尝试利用电场加工聚合物溶液并制备纤维，然而，由于技术限制和仪器设备的不成熟，当时的静电纺丝方法仅能制备极细的纤维，而在20世纪60年代，小埃米娜姆教授改进了静电纺丝仪器，使得其可以在实验室中操作，从而推动了静电纺丝技术的发展。
近年来，静电纺丝技术得到了广泛的应用，尤其是在材料科学、生物技术、医学和纺织工业方面。
一、静电纺丝技术的原理及机制静电纺丝技术是通过施加高电压电场的形式使聚合物溶液在电场中快速溶解貌似喷雾的方式，将微小的液滴带入边缘后使其波纹和落下，瞬间形成纤维，这种纤维和传统方式打造的纤维不同，不仅细而柔软，而且纤维之间呈特殊结构，有许多间隔可以容纳其他物质，因此具有广泛的应用前景。
二、静电纺丝技术的优势与局限性相对于传统的制备方法，静电纺丝技术有着一系列的优势。
首先，静电纺丝能够制备出极细的细纤维，其尺寸可达到亚微米级，而一般化学合成方法难以制备细度小于几微米以下的材料。
其次，静电纺丝过程中，聚合物的分子结构和溶剂的化学性质均可以自由调控，从而可以设计出满足不同需求的纤维材料。
此外，静电纺丝还能够制备出独特的纤维结构和形态，如中空纤维、粗糙表面纤维、多孔纤维、核-壳结构纤维等。
然而，静电纺丝技术也存在一些局限性。
首先，纤维直径对静电纺丝过程的稳定性和产量有很大的影响。
当聚合物液滴的尺寸较小时，静电纺丝的稳定性会降低，且纤维产量也会减少。
其次，静电纺丝过程中，容易发生聚集和交联，造成纤维有缺陷或不能形成，降低产量和质量。
三、静电纺丝的应用（一）材料科学领域静电纺丝技术在材料科学领域中有广泛的应用。
可应用于制备纳米级材料，如纳米电子材料，纳米复合材料，纳米多孔陶瓷材料等。
在制备过程中可以自由控制各项制备条件，如聚合物的种类，溶剂质量分数，电场强度，注射速度等，在控制粒子尺寸、形貌、组分、晶形、表面性质等方面具有显著优势。
静电纺丝技术在纺织领域中的应用
静电纺丝技术在纺织领域中的应用一、引言纺织领域一直是人类社会发展中的重要产业之一。
随着科技的进步和创新，新的纺织技术不断涌现，为纺织行业带来了许多新的机遇和挑战。
本文将重点介绍静电纺丝技术在纺织领域中的应用，探讨其优势和发展前景。
二、静电纺丝技术概述静电纺丝技术是一种新兴的纺织加工技术，利用静电力将纤维材料牵引出来并使其形成纤维状，然后沉积在收集器上，最终形成纤维薄膜或纤维纱线。
静电纺丝技术具有纺织工艺简单、制备速度快、纤维直径细、纤维间距可调等优点，得到了越来越多纺织研究机构和企业的关注。
三、静电纺丝技术在纺织领域中的应用1. 纳米纤维材料生产静电纺丝技术能够制备出直径在纳米尺度的纤维材料，这些纤维具有高比表面积和独特的结构，因此在过滤材料、医疗材料、能源存储等领域中有着广泛的应用潜力。
例如，在空气过滤领域，纳米纤维材料可以有效去除细菌、病毒和颗粒物，提高空气质量。
2. 仿生纺织品制备静电纺丝技术可以制备出具有仿生结构和性能的纺织品。
比如，模仿蜘蛛丝的纤维材料可以具有很高的强度和韧性，而类似莲花叶片的纤维结构可以具有自清洁能力。
这些仿生纺织品在服装、医疗和环境保护等领域中有着广泛的应用前景。
3. 功能纤维制备利用静电纺丝技术可以将功能性物质纳入纤维中，使纤维具有吸湿、抗菌、防紫外线等功能。
这些功能纤维广泛应用于运动服装、家纺产品和医疗材料等领域。
例如，添加了纳米银颗粒的纤维具有很好的抗菌性能，可以制作成医用口罩和抗菌袜等产品。
4. 纳米纤维薄膜制备利用静电纺丝技术可以制备出大面积、均匀的纳米纤维薄膜，应用于过滤、分离和传感器等领域。
纳米纤维薄膜具有高比表面积、孔隙结构可调和优异的吸附性能。
这些特性使得纳米纤维薄膜被广泛应用于颗粒物过滤、化学品分离和生物传感器等方面。
四、静电纺丝技术的发展前景静电纺丝技术具有简单、高效和可控性高的特点，使得其在纺织领域中的应用前景广阔。
随着纤维材料的不断创新和技术的不断进步，静电纺丝技术在纺织领域中有望实现更多的突破和应用。
静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术及其应用一、静电纺丝技术的原理与发展静电纺丝技术是一种自然界广泛存在的电纺技术，是利用电场作用将高分子液体或熔融高分子材料拉细，形成纤维的方法。
它与传统纺织方法不同，不需要梳理、捻合等步骤，能够制备纤维直径极小、比表面积极大的材料，并实现单纤维生产。
最早使用静电纺丝技术的是工业领域，在聚合物纺织品、人造革、电子产品等领域得到广泛应用。
但随着纳米科技的发展，静电纺丝技术也逐渐被应用于纳米材料的制备领域，如纳米纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米膜等。
现在，静电纺丝技术已成为制备纳米材料的一种重要方法之一。
二、静电纺丝技术的优点与传统纺丝技术相比，静电纺丝技术的优点主要有以下几个方面：1、制备出的材料具有高比表面积和高通量；2、生产的纤维具有较小的直径和高的拉伸强度；3、制备出的纤维可以进行多级处理，并且可以降解；4、生产的成本相对较低，同时可以进行大规模生产。
三、静电纺丝技术在各个领域的应用1、纺织领域静电纺丝技术可以制备出具有高性能、高强度的纤维，这些纤维可以应用于高科技纺织品、航空航天材料、医用纺织品等领域。
2、药物载体静电纺丝技术可以制备出具有高比表面积和大孔径的微纳米纤维，这些纤维可以作为一种药物载体，有利于药物的缓释和控制释放。
3、环保领域静电纺丝技术可以应用于制备过滤材料，可以去除空气中的PM2.5等有害物质，同时可以制备海绵材料，具有吸油、吸水、吸附等功能。
4、能源领域静电纺丝技术可以制备出具有多孔结构的纳米材料，这些材料可以用于能源储存和转换，如制备锂离子电池、柔性太阳能电池等。
四、静电纺丝技术未来的发展随着纳米科技的不断发展，静电纺丝技术也在不断地完善和发展。
未来，它有望进一步提高产量、降低成本、改善稳定性，进而在更多领域得到广泛应用。
此外，近年来，一些新型静电纺丝技术不断涌现，如强场静电纺丝技术、高速静电纺丝技术等，这些新技术的出现将促进静电纺丝技术的进一步发展和应用。
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图 2 喷射细流的儿种模式[5]
1. 3 影响静电纺丝的过程参数 为了研究静电纺丝过程中的影响因素 ,Jaeger J
选用聚环氧乙烷作为测试标准 ,对不同的聚合物材 料及纺丝条件进行试验 ,如 :甘油 、聚丙烯腈 、聚对苯 二甲酸乙二酯 、聚酰亚胺 、蜘蛛丝 、液晶聚合物等 。 用聚环氧乙烷系统做实验来描述电纺丝过程 ,可以 把大量的操作参数分为溶液性能 、可控的变量以及 环境参数 。溶液性能包括表面张力 、粘度 、聚合物溶 液的导电性 。可控变量的研究包括毛细管内的 (流 体) 静压 、尖部的电势等 。环境参数的研究包括温 度 、湿度 、电纺丝室内的空气粘度 。另外还研究了影 响射流直径和射流粘度的可控变量 。在这项研究 中 ,首次研究了过程参数 ,找出纺丝过程的困难所 在 ,以及试图解决它们的办法 。讨论如下 :
种技术可用于多种聚合物纺丝 ,包括一些数量太少 而无法用常规方法纺丝的实验材料 。这一纺丝技术 成为开发超微细纳米纤维的热点 ,但对纺丝形成过 程纤维结构 、形态学和产品性质仍知之甚少 。这一 技术可开拓纳米纤维的潜在应用 ,纳米非织造布可 用于屏障和分离膜 、医用敷料非织造布 、新型的轻质 复合材料和智能纤维等 。
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 100 nm 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
Electrospinning Technique and Its Application
SHI Qi2song , YU Jian2xiang , GU Ke2zhuang , MA Chun2bao , LIU Tai2qi 3
( Department of Material Science and Engineering , Beijing Institute of Petro2chemical Technology , Beijing 102617 , China)
当电场力加在悬垂的液滴表面时 ,有静电力作用 于液滴表面。这个电场力与表面张力相反 ,来试图维 持液滴的球形形状 。当作用于表面的静电力克服了 原有的表面张力则液滴变得不稳定 。有如下等式[7] :
(1Π8πε0 ) 3 Q2ΠR2 = 8πγR 其中 : Q :球形液滴的总的电荷数
ε0 :自由空间的介电常数 γ:液体的表面张力 R 液滴的半径 1745 年 ,Bose 在他的实验室中有了重要的发 现 ,为毛细管顶部的水表面施加高电势 ,水表面将会 有细丝喷射出 ,这一现象后来被解释为机械压力和 电场力的不平衡 。 1800 年 ,Rayleigh L 发现了非常重要的理论 ,他 研究了在有及没有电场力的情况下液态射流的水压 稳定性 ,他提出了带电液滴稳定性的线性理论 ,这个
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 (BZ00172002) ,6002) 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 。E2mail :liutaiqi @bipt . edu. cn.
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化 学 世 界
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超过一个临界值后 ,排斥的电场力将克服液滴的表 面张力形成射流 ,而在静电纺丝过程中 ,液滴通常具 有一定的静电压并处于一个电场当中 ,因此 ,当射流 从毛细管末端向接收装置运动的时候 ,都会出现加 速现象 ,这也导致了射流在电场中的拉伸 ,最终在接 收装置上形成无纺布状的纳米纤维[4] 。
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 500 nm 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 1 nm。 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
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理论显示的均匀性的电荷 ,球形粒子将保持它的形 态和尺寸直到电量超过下面等式中的某一界限值 。
Q ≥ (64π2ε0γR) 1Π2 其中 : Q :球形液滴的总的电荷数
ε0 :自由空间的介电常数 γ:液体的表面张力 R :液滴的半径[8] 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) 聚合物溶液浓度 ,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 ,聚合物浓缩固 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 PS/ THF 体系研究表明 ,改变固化距离 ,对纤维直径的影 响不明显 。而对于 PAN/ DMF 体系 ,纤维直径随着 接收距离的增大而减小 。 (4) 溶剂 ,与常规的溶液纺丝相似 ,溶剂的性质 对溶液电的静电纺丝纤维的成形与结构和性能有很 大的影响 ,溶剂的挥发性对纤维的形态起着重要的 作用[9] 。 1. 4 静电纺丝形态的研究技术 电纺丝纤维的形态可以用不同的显微技术来研 究 。光学显微技术的局限是它只能测到微米范围 内 。因为与可见光相比电子辐射的波长要低的多 , 电子显微术可以在更小的尺寸观察到纤维 ,可以观 测到 100 nm 左右 。而运用扫描电子显微术可以研 究样品的表面 。透射电子显微术可观察到样品的内 部结构 。另外 ,电子衍射也可以由透射电子显微镜 束完成[10] 。 2 静电纺丝的应用 电纺丝工艺有着许多独有的特性 ,它使用的材 料很广泛 ,许多聚合物熔体或溶液都可使用 。美国 已有一些科研机构如麻省理工大学 ,采用静电纺丝 技术进行了成功的实验 。主要针对溶液纺丝 ,通过 改变溶质/ 溶剂的化学组成和聚合物相对分子质量 来控制纺丝流体的粘弹性及电性质和固化速率 。这
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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
早在 1882 年 ,Raleigh L 就研究了带电液滴不稳 定的条件 。他指出当电场力克服了和它方向相反的 表面张力后 ,会使带电的液滴从细小的喷丝孔中喷 出 。在 1914 年 ,Zeleny 研究了毛细管末端的液滴的 分裂并观察到了喷射细流的几种模式 ,如图 2 所示 , 这时候射流就带着液体从 Taylor 锥顶点向阴极接收 装置方向加速运动 。在 1952 年 Vonnegut 和 Neubauer 制备了直径为 1 mm 的带电液滴 ,当在一个液滴上 施加很大的电压时 ,它会产生许多小液滴 。他们发 现当使用一束平行的白光照射液滴时 ,液滴是彩色 的 ,这种现象表明 ,液滴的大小在微米范围内是均一 的并且液滴的大小对所用电压的大小很敏感。 Doyle 等人观察到当电场力达到极限时 ,溶剂分子从 带电液滴中的挥发 ,随着液滴表面电荷密度的增加 液滴会破裂 ,液滴破裂后 ,喷出很多小的带电液滴 。 1971 年 ,Baumgarten 利用静电纺丝技术制造了聚丙 烯腈纤维 。他施加 5～20 kV 的电压 ,从聚丙烯腈/ 二甲基甲酰胺溶液体系中纺丝 , 纤维直径范围在 0. 05～1. 1μm。Reneker 指出 ,聚合物溶液在高电压 下的喷射是由施加在溶液与接收器之间的高电压驱 动的 ,通常是离子状态的电荷倾向于响应与电动势 相关的电场而运动 ,电荷将电场力转移到聚合物上 。 拉伸纤维的电场力受到喷射流的伸长粘性的反作 用 。聚合物在喷射中的加速运动受到在粘弹喷流中 力转变的影响 ,在粘弹喷流中粘弹参数同时随着从 喷流中溶剂的挥发和喷流温度的改变 ,而不断变化 。 喷流中的电荷载着液体聚合物 ,电荷在电场力的方
为了控制电荷射流的轨迹 ,建立起静电加速器 和挡板 ,可以通过改变电场强度 ,来控制射流的轨 迹 。当射流形成和喷射出的时候 ,有许多力作用其 上 ,为了鉴别这些力建立了一个模型 。
为了理解纺丝过程中涉及到的电场力 ,用电脑 来模拟纺丝的过程 ,用有限元素方法软件来解决泊 松等式 ,绘制结果来描述该电场力 。