静电纺纳米纤维的工艺原理_应用及发展前景

静电纺纳米纤维的工艺原理、应用及发展前景

付文丽,康为民,程博闻,李全祥

(天津工业大学,天津　300160)

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1nm 。本文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,综述了静电纺纳米纤维的应用及其发展前景。

关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝

中图分类号:TQ340.64　文献标识码:A 文章编号:1009-265X (2009)01-0051-04

收稿日期:2008-05-10

作者简介:付文丽(1983-　),女,山东青岛人,硕士研究生,

主要从事纺织新材料新产品的研究开发。

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 [123]就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝,

但是直到近几年,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。111　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。

图1　静电纺丝设备示意图

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DC/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,变得很细很长。同时溶剂挥发,得到带电的聚合物纤维。112　静电纺制备纳米纤维的装置

目前尚无用于实验的定型的静电纺丝机生产和出售,各研究单位均按照其主要的基本构件(高压静电发生器、进样器、收集器3部分),根据各自的条件自行安装。

Larrondo L 和Manley [4]设计出用于熔体的静

电纺丝机,如图2。

其中的主要部件分别为:1不锈钢圆筒;2不锈钢壁;3传热夹套;4加热管;5保温层;6热电偶;7不锈钢圆筒下口;8不锈钢毛细管;9毛细孔;10石棉板;11活塞;12液压泵;13金属压板;14喷丝孔;

15绝缘体;16调节器。纺丝时将高压正负两极分别与8和13连接,产生足够的高电压。熔体经过活塞挤出,电纺纤维收集在金属板上。该装置的关键在于加热和保温体系。

图2　熔融静电纺丝机示意图

大量的研究工作集中在干法溶液纺丝的静电纺丝工艺,典型的静电纺丝装置有以下几种,如图3和图4[526]。图中水平式和垂直式静电纺丝机除收集的位置不同外,其他的结构组成基本一样。

113　静电纺丝的影响因素

静电纺丝工艺中,影响聚合物纤维特性的工艺变量主要为聚合物流体特性和纺丝工艺参数两个方面。聚合物流体特性主要是聚合物的相对分子质量、相对分子质量分布、链段结构和聚合物流体(溶液或熔融体)的粘性、电导率、表面张力等特性参数。纺丝工艺参数主要包括静电场强度、毛细管喷丝头与接收板间的距离、聚合物流体的流速、接收板的运动形式及纺丝环境温度和湿度等工艺参数[7]。

a)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。通常在其它条件恒定时,随着浓度增加,纤维直径增大。

b)静电纺丝流体的流动速率。当喷丝头孔径固定时,射流平均速度显然与纤维直径成正比。

c)电场强度。随电场强度增大,高分子静电纺丝液的射流有更大的表面电荷密度,因而有更大的静电斥力。同时,更高的电场强度使射流获得更大的加速度。这两个因素均能引起射流及形成的纤维有更大的拉伸应力,导致有更高的拉伸应变速率,有利于制得更细的纤维。

d)毛细管口与收集器之间的距离。聚合物液滴经毛细管口喷出后,在空气中伴随着溶剂挥发,聚合物浓缩固化成纤维,最后被接收器接收。随两者间距离增大,直径变小。

e)收集器的状态不同,制成的纳米纤维的状态也不同。当使用固定收集器时,纳米纤维呈现随机不规则情形;当使用旋转盘收集器时,纳米纤维呈现平行规则排列。因此,不同设备条件所生成的纤维网膜不同。

2　纳米纤维

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。采用性能不同的纳米微粒,可开发抗菌、阻燃、防紫外、远红外、抗静电、电磁屏蔽等各种功能性纤维,这一领域是目前国内开发的热点。通过静电纺制备的纳米纤维属于前者。

211　国内外静电纺丝制备纳米纤维的研究现状当前,静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备方法之一。对静电纺丝的研究较深入而且涉及到很多方面,Greiner A[8]详细分析了静电纺丝制造出的纳米纤维的外形的几乎所有的参数。Bunyan N 等[9]研究了在牵伸过程中纳米纤维的形态、取向及