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1、安徽工程大学现代纺织工艺班级：纺织研12姓名：姚敏学号：2120340104学院：纺织服装学院静电纺丝摘要: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、设施、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ElectrospinningAbstract:Electrospinningisanewtechnique,whichcanbeusedtopreparenanofiberswithadiameterdowntoInm.Inthis
2、paper,thetheoryofelectrospinningtechnique,theequipmentsforpreparingaelectrospunfiberandthetechnologicalparametersaffectingthepropertiesofelectrospunfiberswereintroduced.Thenewdevelopmentoftheapplicationsofelectrospinningtechnique,suchasthepreparationofmicro/nanotubeswithcontrolledlengthsandsuper-pur
3、ificationfilteringmaterials,wasreviewed.Keywords:nanometermaterial;nanofiber;electrospinning;application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IoOnm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,以及采纳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静电纺丝技术由于超细纤维的优
4、良性能,人们对其制造方法进行了广泛的讨论,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于50Onm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。Ll静电纺丝的原理将聚合物溶液/熔体置于储液管中,并将储液管置于电场,阳极插入储液管的溶液中,阳极从高压静电场发生器导出。当没有外加电压时,由于储液管中的溶液受到重力的作用而缓慢沿储液管壁流淌,而在溶液与储液管壁间的粘附力和溶液本身所具有的粘度和表面张力的综合作用下,形成悬挂在储液管口液滴。电场开启时,由于电场力的作用,溶液中不同的离子或分子中具有极性的部分将向不同的方向聚集。即阴离子或分子中的富电子部分将向阳极的方向聚集，而阳离子或分子中的缺
5、电子部分将向阴极的方向聚集。由于阳极插入聚合物溶液中,溶液的表面应当是布满受到阳极排斥作用的阳离子或分子中的缺电子部分,所以溶液表面的分子受到了方向指向阴极的电场力。而溶液的表面张力与溶液表面分子受到的电场力的方向相反。当外加的电压所产生电场力较小时,电场力不足以使溶液中带电荷部分从溶液中喷出,这时储液管口原为球形的液滴被拉伸变长。连续加大外加电压,在外界其它条件肯定的状况下,当电压超过某一临界值时,溶液中带电荷部分克服溶液的表面张力从溶液中喷出,这时储液管口的液滴变为锥形（被称为TayIOr锥）,在储液管顶端,形成-股带电的喷射流。喷射流发生分裂,之后,溶剂挥发,纤维固化,并以无序状排列于收
6、集装置上,形成类似非织造布的纤维毡（网或者膜）。该方法和传统的方法明显不同,在传统纺丝中,纤维受到拉力、流变力、重力、惯性力以及空气动力的作用。在静电纺丝中高聚物溶液或熔体则受到电场力的驱动,其拉伸力来自于所加电场和聚合物喷流中的电荷之间的相互作用,而传统纺丝中拉伸力是由纺锤和卷筒产生的。在静电纺丝中,电场是打算纺丝成败的关键因素,只有在对聚合物溶液或熔体施加几千至上万伏的高压静电后,聚合物才能克服表面张力形成喷射细流,同时在喷射过程中随溶剂蒸发而固化,最终形成纳米纤维,直径一般在几十纳米至几微米之间。1.2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
7、为牵引力来制备超细纤维。图I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,对于一个半球外形的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。假如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。当电场力超过
8、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,液滴通常具有肯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,都会消失加速现象,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。图1静电纺丝装置示意图L3静电纺丝的影响因素影响静电纺丝过程的因素概括起来主要有溶液性质，例如粘度、电导率、表面张力等；可控变量，例如毛细管中的流体静压、毛细管尖端的电位以及尖端和收集装置之间的距离；环境参数，包括温度、湿度、纺丝室的气流速度等。现有的讨论结果表明,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
9、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力量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,液滴的分裂力量相应增加,所得纤维的直径趋于削减。(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,最终被接丝装置接受。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PSZTHF体系讨论表明,转变固化距离,对纤维直径的影响不明显。而对于PAN/DM
10、F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像,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。1.4静电纺丝的优缺点静电纺丝法简洁、易操作。但是有如下缺点:第一，静电纺丝难以得到彼此分别的纳米纤维长丝或短纤维；其次，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静电纺丝的工艺参数及其纤维形态2.1纤维成形的影响因素(1)溶液性质。包括纺丝溶液的相对分子质量、溶剂挥发性、浓度、粘度、电导率、表面张力、比热、相变热等。溶液性质是影响纤维形态和直径分布的主要因素。(2)工艺条件。包括施加的电压、纺丝速
11、度、喷丝头与收集板之间的距离、纺丝液温度、毛细孔直径等。(3)环境参数。包括温度、湿度、环境气流速度等。Reneker等人讨论了13个工艺参数对射流半径的影响，其中表面电荷密度、固化距离、喷丝头内径、溶液松弛时间和粘度这5个因素对射流半径影响最大；聚合物浓度、溶液的密度、扰动频率、电极、溶剂蒸发速率对其影响次之；空气湿度、表面张力和压力分布对其影响最小。2.2纤维主要形态(1)串珠状纤维当射流的电荷密度减小时，毛细管的不稳定性会导致圆柱状的射流团聚成液滴，它们固化后会形成串珠状的纤维。Fong等人的讨论表明低粘度时会形成较多的串珠，粘度增大时串珠削减,纤维的直径增大。加入盐时电荷的密度增大,可
12、以减小串珠的消失。有人讨论了聚苯乙烯相对分子质量及其溶液浓度对串珠结构的影响,在其他工艺参数固定的条件下，当浓度很低，低于接触浓度时，开头形成串珠；浓度增大，串珠的比例减小；当浓度高于缠结浓度时，串珠的比例大大减小。(2)螺旋状纤维射流在超过肯定距离后开头摇摆做螺旋状运动，螺旋圈的直径越来越大。液体在接触到接收屏时由于力学不稳定性会形成螺旋状的形貌，这跟工艺参数中的电压、液体的浓度等有关。YU等人介绍了聚己内酯(PCL)的螺旋状纤维的形成因素，发觉其与纺丝液的浓度有很大的关系，有一个最低的浓度消失。(3)扁平状纤维射流表面由于溶剂挥发会形成一层表皮，在大气压的作用下这层表皮随着溶剂的连续挥发,
13、发生固化向里塌陷成椭圆，当两侧管壁趋近时，会团聚成扁平状或其他外形。Koski等人用聚乙烯醇拟合弹性缩氨酸聚合物制得了扁平状纤维。(4)分支状纤维分支状纤维是在射流的裂分时形成的，这种裂分造成射流表面的电荷分布不匀称，稳定性下降。为降低单位面积上电荷的分布，增加丝条的稳定性，在喷射过程中纺丝细流往往会分成更细的多股，或在己产生的细流上再分出支流。除此之外，丝条薄壁之间的电荷会在纤维横向上产生一个斥力，分子链在拉伸的过程中横向的结合力较小，也会使丝条发生裂开产生分支。由于支流在喷射细流的一侧产生，受力的平衡会使管壁的坍塌转化为靠支流一侧的凹陷。3聚合物纤维制备方法目前己有多种自然聚合物和合成聚合
14、物通过静电纺丝技术纺成纤维。表1列出了近年来通过静电纺丝技术制备的部分聚合物纤维及其直径分布。采用静电纺丝法不仅可将单一聚合物纺成纤维，而且还可通过静电纺制备出聚合物复介材料纳米纤维，如聚己内酯(PCD/金、聚氨酯(PU)/碳管、聚乙烯醇(PVA)/二氧化硅等复合纳米纤维。JeOng等将MWNTS进行较基化和酰胺化处理，与尼龙/甲酸溶液混合后，通过静电纺丝制备出具有导电性能的MWNTs/尼龙复合纳米纤维。Lala等将硝酸银溶解在DMF中，分别与聚丙烯懵(PAN)溶液、醋酸纤维(CA)溶液、聚氯乙烯(PVC)溶液匀称混合后，通过静电纺丝制备出具有抗菌性能的银/PAN、银/CA和银/PVC纳米纤维
15、。表1近年来静电纺丝技术制备的聚i物纤维及其直径分布聚合物纤线直径分布nm聚氧化乙烯(PH)S05(MI)MPD-12-I(XI)SBSI(X)左右PBIMM)左右DNA5(80拟蛋白缩凝酸(X3(IX)聚环辄乙烷+聚笨胺50-210()聚丙烯.氨基甲酸南(X5(IM)聚丙烯腾I5K4H)聚环氧乙烷150-450聚乙烯爵/醋酸保50-1乙基氟乙基纤维素550-750聚乙二爵251MI)聚乙二爵+聚笨胺5(2I(X)重组蛋白质3D。1500弹性多肽KML3O聚乳酸5()左右聚氨酯I(M)左右间亚基基同第二酰胺150左右聚笨并咪噬3CM)左右聚乙烯酹IOO-ICDO聚对笨二甲酸对第二胺40-5尼龙-6)无机微粒S(X)左右聚乙烯醉毗咯烷醴IOO-I(I)O各种导电高分子20-5采用静电纺丝法还可以制备不同纤维结构和堆砌结构的纳米纤维。同济高校的黄争鸣等采纳同轴静电纺丝法，将药物硫酸庆大霉素和白藜芦醇分别作为可生物降解的PCL纳米纤维的核，制备得到的核-壳结构的复合纳米纤维有望应用于外科手术的缝合线、伤口包覆材料等。此外，以静电纺丝纳米纤维为模板,采用化学或物理气相沉积法或者静电喷涂技术，在模板上涂覆一层薄壁材料，然后通过热分解或溶剂溶解去除模板，可以得到聚合物纳米管、金属纳米管和陶瓷纳米管。目前通过静电纺丝成功制备出的聚合物纳米纤维基本上是常温下处
