静电纺丝 最终版30页PPT
静电纺丝
于致远、陈艺、陈运、上官厚谦
纤维(fibers)
静电纺丝：一种超薄纤维制备技术
原理
•电流体动力过程 •液滴被带电以产生射流 •通过拉伸和伸长来产生纤维
静电纺丝的基本装置相当简单， 几乎每一个实验室都可以使用。 高压电源 注射器泵 导电的收集器 电源可以是直流电（DC）或交流 电（AC）
如何控制？
不稳定
稳定
电压 距离 液体性质
静电纺丝所用材料
支架材料 聚乙二醇 (PEG) 聚乙烯醇 (PVA)
聚己酸内酯 (PCL)
聚乙丙交酯 (PLGA) 聚苯乙烯 (PS) 聚氨酯 (PU) 聚环氧乙烷 (PEO) 聚乳酸 (PLA) 聚左旋乳酸 (PLLA) 胶原 (collagen) 丝素蛋白 (silk fibroin) 弹性蛋白 (elastin) 明胶 (gelatin) Silk/PEO
为了进一步提高陶瓷纤维支架的强度，可以将其与胶原等高分子复合， I型胶原的引入可以进一步加速HA的沉积。
陶瓷纳米纤维
核壳结构纳米纤维
用双亲性嵌段共聚物做药物载体来进行乳液电纺，这样聚合物的亲水 性链段会进入水相，最后得到的核壳结构纳米纤维，核相实际上一种 类似于基体式载体形式，外再包覆疏水性壳层，可以更好地控释蛋白 质类等生物活性物质的释放行为。
图三，分子量对电纺PLLA纤维形 态的影响
图四，溶液电导率对电纺PLLA纤维的直径有影响
图五，施加的电压对PLLA纤维直径的影响
图六，进料速率对PLLA纤维直径的影响。
应用
聚乙烯醇/壳聚糖/明胶新型组织工程支架用于鼻腔修复
壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖，具有生物可降解性和良好的 生物相 容性，是细胞培养良好的支架胶原蛋白是天然高分子聚合物，可以与 PVA联合使用，制备混合溶液进行电纺，既满足了支架的力学性能， 又能提高支架的生物活性，利于种子细胞的生长。
静电纺丝
静电纺丝技术制备聚合物超细纤维1.电纺过程处在导电体尖端的聚合物熔体或溶液液滴，在高压电场的作用下，流体克服表面张力的作用形成直径微小的射流，快速地射向电场的另一极。
射流在从电场的一极向另一极的高速运动过程中，迅速地冷却凝固，或者溶剂迅速挥发而固化，最终以直径超细的纤维形式沉积在电场的另一极。
图1. （左）静电纺丝示意图和（右）电纺纤维的扫描电镜图2.静电纺丝技术的起源“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。
1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。
但是，从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例，其概念可以追溯到1745年。
静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同，静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体，而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。
这样，静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。
对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。
20世纪30年代到80年代期间，静电纺丝技术发展较为缓慢，科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上，发布了一系列的专利，但是尚未引起广泛的关注。
进入90年代，美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。
特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。
此段时期，静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段：1)第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等；2)第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控；3)第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用；4)第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。
静电纺丝
设计了一套装 置，可以制备 直径在0.051.1微米的丙烯 酸纤维。考察 了纤维直径与 溶液黏度、射 流长度及环境 气体组分之间 的关系。
将聚乙烯和 聚丙烯熔体 纺成连续的 纤维，研究 发现，直径 取决于电场， 操作温度和 熔融体粘度， 与喷丝嘴直 径无明显关 系。
基本设备
静电纺丝的基本设备包括：高压电源、喷丝头和接收装置。纺丝液通 过注射泵从喷丝头中挤出形成小滴，小滴在高压电作用下变成锥形， 在超过某一临界电压后进一步激发形成射流，射流在空气中急剧震荡 和鞭动，从而拉伸细化，最终沉降在接收装置上。
熔体静电纺丝具有溶液静电纺丝无法比拟的优点： 1、不需要有机溶剂，成本低、生产效率高； 2、适用于一些室温下没有合适溶剂的聚合物，如PP、PE等； 3、对熔体电纺建模，有助于更加深入了解电纺机理； 4、如能与现有的熔喷装置相结合，则有很强的工业化应用前景。 同时也存在一定的问题： 1、聚合物熔体粘度高、导电性差，需要较高的电场强度，易发生电场击穿的危险。 2、制备的纤维多在微米级别； 3、装置复杂，需附加高温加热装置，易和高压装置发生静电干扰。
高压静电纺丝的基本过程
静电纺丝的过程可以简单的描述如下：首先在喷丝口处溶液被拉出表面， 沿着直线运动，当运动到一定位置，进入非稳定阶段，开始成螺旋摆动运动，同 时喷射流被进一步拉伸细化。 1、喷射流初始运动阶段 2、喷射流摆动非稳定阶段 在电场力的作用下，喷丝口处的溶液表面布满阳离子或分子中的缺电子 部分，当外加电压较小时，电场力不足以使溶液喷出，喷丝口处的溶液形成 “泰勒锥”，加大电压，当其超过特定的临界值时，带点锥体形成一股带点的 喷射流，沿电场方向加速运动。经过一段稳定的直线运动后，纤维开始不规则 摆动，在接收装置上的落点随机，这一过程中纤维表现出的状态即为非稳定性。
光催化与静电纺丝ppt..共45页
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
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光催化与静电纺丝ppt..
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
静电纺丝技术 ppt课件
纳米纤维
定义：美国国家科学基金会(NSF)定义纳米纤维为至少在一 维空间尺度上小于100 nm 的纤维。无纺布工业一般认为直 径小于1 μm 的纤维就是纳米纤维。
特点：在微观上表现为纳米结构，具有纳米材料具有的一切 特性；而在宏观上表现为网毡结构，可以在重力作用下自然 沉降而分离。
静电纺丝技术
ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 369–377
mesoporous TiO2 nanofibers, solid TiO2 nanofibers, and P25 under different irradiation time. (b) Results of reusability experiments for photocatalytic H2 generation using the present three 静ph电o纺to丝c技a术talysts. (c) Schematic illustration of mesoporous fibers with enhanced photocatalytic activities.
静电纺丝技术
静电纺丝技术
总结：
1.利用静电纺丝技术合成了具有超长结构的纳米纤维。 2.引入发泡剂，得到了具有均一的介孔结构的纳米纤维 ，并证明了其普适性。
静电纺丝技术
Fig.5 Average H2 evolution rates of the as-fabricated mesoporous TiO2 fibers, solid TiO2 fibers and P25.
静电纺丝技术
parison of the related work for photocatalytic H2 production
静电纺丝_最终版
施加的电场力的数值与液滴的表面张力相等时，液滴就 形成了顶角为49.3°的圆锥，被命名为“泰勒锥”。
电喷技术原理的研究历史
1882年 Rayleigh
1915年 Zeleny
1964年 Taylor
研究了到底需 要多少电荷才 能克服液滴的 表面张力使液 滴劈裂的问题， 提出了 “Rayleigh” 极限数值
环形电极辅助维
静电纺的分类：
根据电纺时纺丝液体系是溶液状态还是熔融状态，可以分为溶液静电纺和熔融 静电纺。
溶液静电纺技术的未来蕴含着无限可能，但是也有一些自身难以克服的缺点： 1、电纺体系中只有10%左右为聚合物，纺丝效率低； 2、某些电纺体系需在强腐蚀性或高剧毒性溶剂中进行； 3、有机溶剂成本高、不易回收，易造成环境污染等。 以上缺点均限制了溶液纺丝的进一步工业化应用，一个可能的解决方法就是熔体 静电纺丝。
3）并列式针头
并列式针头体系是一 种结构简单却易于实现功能 化纳米纤维制备的喷丝头体 系。它将不同的聚合物溶液 通过紧密靠在一起的并列式 针头同时进行射流激发，在 电纺过程中平行射流融合， 得到多根纤维互相连接的束 状单根纤维，因此特别适合 制备双组份聚合物纤维。
并列式针头
4）多针头 在并列式针头装置的基础上，
高压电源
高压电源提供产生纺丝液射流的高压电，电源的两 极分别连接在喷丝头和接收装置。根据电源性质的不同， 可分为直流和交流高压电源两种，都可用于静电纺丝。
直流高压电在电纺过程中通常采用感应充电的方式， 即将直流高压电直接接在喷丝头上，接收装置接地或反之。 电压极性对纺丝过程影响不大，实验室多采用高压正电纺 丝。
熔体静电纺丝具有溶液静电纺丝无法比拟的优点： 1、不需要有机溶剂，成本低、生产效率高； 2、适用于一些室温下没有合适溶剂的聚合物，如PP、PE等； 3、对熔体电纺建模，有助于更加深入了解电纺机理； 4、如能与现有的熔喷装置相结合，则有很强的工业化应用前景。 同时也存在一定的问题： 1、聚合物熔体粘度高、导电性差，需要较高的电场强度，易发生电场击穿的危险。 2、制备的纤维多在微米级别； 3、装置复杂，需附加高温加热装置，易和高压装置发生静电干扰。
静电纺丝_最终版讲解
1882年 Rayleigh
1915年 Zeleny
1964年 Taylor
研究了到底需 要多少电荷才 能克服液滴的 表面张力使液 滴劈裂的问题， 提出了 “Rayleigh” 极限数值
得出表面张力越 高的液体出现弯 曲不稳定现象时 需要的电压就越 高。
他认为，液体 在电场力的作 用下只受到两 个力，“电场 力和表面张 力”，并提出 了“泰勒锥”。
2）同轴针头 同轴电纺的一个优点在于可以突破单头体系的限制，将一些难以直接电 纺的聚合物通过同轴电纺装置制备纳米纤维。另一个优势是通过将核层选择性 移除，还可以制备中空纳米纤维结构。
3）并列式针头 并列式针头体系是一 种结构简单却易于实现功能 化纳米纤维制备的喷丝头体 系。它将不同的聚合物溶液 通过紧密靠在一起的并列式 针头同时进行射流激发，在 电纺过程中平行射流融合， 得到多根纤维互相连接的束 状单根纤维，因此特别适合 制备双组份聚合物纤维。
喷丝头
喷丝头的作用就是在纺丝过程中产生纺丝小液滴，提供射流激发位点。 一般分为无针头和针头两种不同的喷丝体系，其中针头体系根据针头数量和 形式的不同，还可以进一步分为单头、同轴、并列、多头等不同的形式。
1、无针头体系。核心思想就是在自由聚合物溶液表面形成大量射流激发位点。
2、针头体系。 1）单针头 单针头最常见，根据需要可选择不同型号的针头。
熔体静电纺丝具有溶液静电纺丝无法比拟的优点： 1、不需要有机溶剂，成本低、生产效率高； 2、适用于一些室温下没有合适溶剂的聚合物，如PP、PE等； 3、对熔体电纺建模，有助于更加深入了解电纺机理； 4、如能与现有的熔喷装置相结合，则有很强的工业化应用前景。 同时也存在一定的问题： 1、聚合物熔体粘度高、导电性差，需要较高的电场强度，易发生电场击穿的危险。 2、制备的纤维多在微米级别； 3、装置复杂，需附加高温加热装置，易和高压装置发生静电干扰。
静电纺丝
摘要纳米纤维由于具有极小的直径以及极大比表面积和表面积～体积比的结构特点，其表面能和活性增大，从而在化学、物理（热、光、电磁等）等许多性能方面表现出特异性，可用于高性能吸附、过滤、防护、生物医用等材料。
聚合物纳米纤维的制备方法有静电纺丝法、复合纺丝法、分子喷丝板法、生物合成法、化学合成法等，静电纺丝是一种高效低耗的聚合物纳米纤维制备方法，是目前研究的热点，而且具有较大的发展前景。
静电纺丝是基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理发展而来，其基本过程是：聚合物溶液或熔体在几千至几万伏的高压静电场下克服表面张力而产生带电喷射流，溶液或熔体射流在喷射过程中干燥，并保持一定电荷量，最终落在接收极上形成纤维。
静电纺丝制得的纤维直径一般在数十纳米到数微米之间。
静电纺的纤维制品主要呈无纺布状纤维毡的形式，静电纺纤维毡具有很高的比表面积和表面积体积比，以及良好的力学性能，在生物医学、过滤材料和复合材料等方面有广阔的应用前景。
聚乙烯醇(PV A)纤维大分子中含有大量的羟基，—OH中的氧原子含有孤对电子，可以进入金属离子空的价电子轨道，金属离子与PV A配位体通过杂化轨道形成配位键，进而形成金属配合纤维。
本文选用静电纺丝法制备的PV A纳米纤维毡为基体，与金属铜离子发生配位反应，制备PV A基金属配合纳米纤维．实验中通过静电纺丝法制备不同浓度的PV A纳米纤维膜，采用扫描电子显微镜(SEM)观察电纺纤维的微观形貌，利用旋转式粘度仪、数显电导率仪与液滴性状分析仪对PV A纺丝液的流变性能进行研究，采用原子吸收光谱分析仪研究PV A 纳米纤维膜吸附的金属离子含量，采用红外光谱(FT-IR)分析了PV A与金属离子的配合作用。
同时也测定了PV A及其金属离子配合纤维的动态接触角和力学性能，以研究金属配合对纳米纤维导电性、亲水性和力学性能的影响。
实验结果表明，PV A浓度为10%的静电纺纳米纤维最佳；PV A纳米纤维与金属离子配合的能力较常规PV A纤维有显著提高。