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1、第24卷第12期高分子材料科學(xué)與工程Vol.24,No.122008年12月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGDec.2008電紡絲制備納米纖維的研究進(jìn)展朱振東,劉杰(北京化工大學(xué)碳纖維國家工程中心,北京100029)摘要:文中扼要回顧近年來電紡絲技術(shù)研究進(jìn)展,包括:電紡絲工作原理和部分關(guān)鍵設(shè)備;控制尺寸、結(jié)構(gòu)、取向及復(fù)合材料制備等;探討連續(xù)化生產(chǎn)和組裝納米纖維;典型應(yīng)用領(lǐng)域及電紡絲技術(shù)展望。關(guān)鍵詞:電紡絲;納米纖維;電紡絲設(shè)備中圖分類號:TB384文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100
2、027555(2008)1220001205一維納米材料,自Iijima[1]首次報道碳納[3]紡絲技術(shù)自1934年Formhalas首次報道以米管以來,相繼合成了納米纖維、線、棒、帶等,來,一直沿用靜電紡絲的稱謂,1993年后,引起國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注。在于贄美的多樣性RenekerDH等推陳電紡絲(electrospinning)這形貌和巨大工業(yè)價值,如光電子材料及生物材[4]一專業(yè)術(shù)語。此后廣為接受。[2]料等,而納米碳纖維尤為矚目。一維納米材本文扼要回顧近年來電紡絲技術(shù)研究進(jìn)料制備方法有模板法、自組裝等。其中源自
3、靜展,主要內(nèi)容有:(a)工作原理和部分關(guān)鍵設(shè)備;電紡絲的電紡絲,是一種制備納米纖維最簡單、(b)控制尺寸、結(jié)構(gòu)及取向等;(c)探討連續(xù)化生切實可行的方法,也是最具前景的方法。電紡產(chǎn)和組裝納米纖維;(d)典型應(yīng)用領(lǐng)域及展望電絲是基于粘流態(tài)高分子溶液或熔體在噴絲頭處紡絲技術(shù)。通過靜電沿軸向單軸拉伸而獲得納米纖維。電Fig.1SchemesofTaylorconeclassicalPanorama(left)andpolarizationofprocessofajetelectrospinningfibers(right)1
4、電紡絲工作原理與影響因素壓靜電場發(fā)生器。無外電壓激勵時,紡絲液在1.1電紡絲工作原理其重力、儲液管壁間粘附力及自身黏度和表面[7]電紡絲工作原理涉及電學(xué)和流體力學(xué)。張力協(xié)同作用下形成液滴懸掛于噴口;外電壓紡絲液或熔體置于儲液管中,紡絲液連接外高激勵后,陰離子或分子中的富電子部分將向陽收稿日期:2007210209;修訂日期:2007211216基金項目:國家973計劃(2006CB605304);國家863計劃(2006AA06Z382);國家重點自然科學(xué)基金(50333070);國家自然科學(xué)基金資助項目(506730
5、11)聯(lián)系人:劉杰,主要從事高性能炭纖維與功能炭纖維的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研發(fā),E2mail:liuj@mail.buct.edu.cn2高分子材料科學(xué)與工程2008年極聚集,陽離子或分子中的缺電子部分反向聚電場強度、溶液推進(jìn)速率的影響,認(rèn)為可紡濃度[9]集,受到陽極排斥電荷極化后分布在液滴表面,為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))～40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。Li溶液表面張力與表面分子受到的電場力的方向研究了PVP纖維證實增加濃度則顯著降低串相反,克服電場間庫侖力。外電場力較小不足珠密度,相同濃度下,添加適量鹽增加網(wǎng)格電荷以使溶液噴出,球形液滴被
6、牽伸為錐形———密度,或采用低表面張力溶劑也能明顯減少串[8](如Fig.1)。外界條件一定,外電[8]Taylor錐珠。Yarin等發(fā)現(xiàn)形成帶有珠串缺陷纖維與場力超過某臨界值時,帶電荷部分克服溶液表[15]溶液噴射流不穩(wěn)定流動有關(guān)。Magarvey等面張力從溶液中噴出,形成帶電的噴射流,噴頭[16]認(rèn)為強電流有助于減少珠串缺陷。Tan等發(fā)電場提供拉伸和抗擾,噴射液滴被連續(xù)取向,形現(xiàn)增加電場強度或溶液推進(jìn)速率,纖維直徑增成細(xì)長纖絲,溶劑揮發(fā)后,預(yù)期尺寸的絲通常隨加,串珠減少。機地濺落在接收器上[8]。[11]電紡纖維直
7、徑反比分子量1/2次方。外電場中的紡絲液滴成纖分形問題一直備高聚合度PVA納米纖維具有更好的結(jié)晶性、熱受關(guān)注,也非常復(fù)雜。目前存在兩種矛盾觀點,穩(wěn)定性和力學(xué)性能。電紡絲影響聚合物結(jié)晶Reneker等認(rèn)為不發(fā)生[8],Xia等認(rèn)為發(fā)生[9]性。[16]Deitzel等認(rèn)為PEO電紡絲結(jié)晶級數(shù)低(Fig.1)。我實驗室比較支持前者。1999年于粉末結(jié)晶級數(shù)。溶劑性質(zhì)也影響聚合物電紡前,通常認(rèn)為是表面電荷脈沖導(dǎo)致紡絲液滴在絲。研究[17]發(fā)現(xiàn)PEO氯仿溶液、乙醇溶液和[3,4]電場中擴張破裂成纖。近來認(rèn)為:噴絲頭水溶液可紡最
8、低電壓約為13kV,PEO的DMF液滴帶電細(xì)化成纖與極化帶電的紡絲液滴密切溶液可紡最低電壓約為25kV,且溶劑介電常[7]關(guān)系。紡絲液滴由最初極化誘導(dǎo)成Taylor數(shù)越大,纖維直徑越細(xì)?？諝鉂穸仍黾?纖維表[7～9]錐形不穩(wěn)定狀態(tài),由多個細(xì)小液滴組成。面孔數(shù)量、孔徑大小和孔徑分布增加,不影響纖高速數(shù)碼相機證實外殼包只含一個線性細(xì)小
