靜電紡絲法制備納米纖維和成紗研究進(jìn)展.doc

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1、靜電紡絲法制備納米纖維及成紗研究進(jìn)展董雅婕（武漢紡織大學(xué)機(jī)械學(xué)院）摘要：通過(guò)靜電紡絲法制備的納米纖維具有長(zhǎng)徑比大、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，目前，靜電紡絲納米纖維在過(guò)濾材料、藥物傳遞、傷口防護(hù)、骨架組織工程、航空航天及燃料電池材料等其他領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，甚至在生物醫(yī)學(xué)、傳感器以及其他特殊領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。本文介紹了靜電紡成紗原理及其影響因素，概括了國(guó)內(nèi)外靜電紡納米纖維紗成紗裝置的進(jìn)展，以及靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著靜電紡絲技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向車間生產(chǎn)流水線，靜電紡絲納米纖維將會(huì)得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：靜電紡絲；納米纖維紗；成紗裝置0引言靜電紡

2、絲又稱為電紡絲，在1934年首先由Formhals[1,2]提出該技術(shù)并申請(qǐng)了專利，報(bào)道了高壓靜電場(chǎng)紡絲，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意。但是，隨著納米纖維研究的迅速升溫，高壓靜電場(chǎng)紡絲技術(shù)又引起了人們對(duì)其深入研究的興趣。目前，合成納米纖維的方法很多，例如：分相法[3]，自組裝法[4]，抽絲法[5]，模板合成法[6]等。分相法，又稱相分離法，主要機(jī)理是通過(guò)兩相的物理不相容性來(lái)實(shí)現(xiàn)，溶劑相被萃取出來(lái)，剩下另一相。該方法對(duì)設(shè)備要求低，可直接制備納米纖維基質(zhì)，但該方法局限于特定聚合物。自組裝法的主要機(jī)理是分子間的力將小的分子結(jié)構(gòu)單元組裝在一起，形成納米纖維，大分子納米纖維的形狀取決于小

3、分子結(jié)構(gòu)單元的形狀。該方法易于獲得較細(xì)的納米纖維，但其過(guò)程復(fù)雜。抽絲法是通過(guò)顯微控制器來(lái)控制一個(gè)直徑為幾微米的微型吸液管牽伸液滴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該方法對(duì)設(shè)備要求最低，缺點(diǎn)是其加工過(guò)程不連續(xù)。模板合成法指的是利用模板或模具獲得所需的材料或結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于使用模板不同，可以得到不同直徑的纖維。相對(duì)于前面所述幾種納米纖維的制造方法，靜電紡絲法是一種簡(jiǎn)單有效制備納米纖維的方法，其制造裝置簡(jiǎn)單，紡絲成本低廉，能夠制備長(zhǎng)尺寸的、成分多樣化的、直徑分布均勻的納米纖維，而且可以適用于大部分聚合物的連續(xù)電紡，到目前為止，已經(jīng)報(bào)道的已經(jīng)大約有100多種聚合物利用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)或者納米纖維

4、[7]。靜電紡絲法制備的納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大、吸附性和過(guò)濾性強(qiáng)、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[8,9]，因此吸引了人們?cè)诒姸囝I(lǐng)域?qū)o電紡絲納米纖維技術(shù)進(jìn)行廣泛的研究。1靜電紡絲的裝置及工作原理1.1靜電紡絲的裝置靜電紡絲的典型主要由高壓裝置、噴絲裝置和接收裝置三部分構(gòu)成。其中，高壓裝置能提供0~50kV的電壓，大多數(shù)采用直流電源。噴絲裝置一般用帶有磨平針頭的注射器，注射器用來(lái)盛放前驅(qū)溶液。接收裝置一般為接地的金屬板。靜電紡絲裝置如圖1所示。圖1靜電紡絲裝置圖1.2靜電紡絲的工作原理在靜電紡絲過(guò)程中，高壓裝置的一個(gè)電極插入注射管的前驅(qū)溶液中，另一個(gè)電極與接收裝置相連，開(kāi)啟高

5、壓裝置，聚合物溶液或熔體被加上幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏的高壓靜電，從而在注射管與接地的接收裝置之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)力。由于液體粘滯力的存在，液滴停留在注射器的噴嘴上，隨著電場(chǎng)力的增大，液滴被逐漸拉伸成圓錐形，稱為Taylor錐[10]。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到某一臨界值時(shí)，電場(chǎng)力克服表面張力，帶電液體就會(huì)從泰勒錐的頂點(diǎn)噴射出來(lái)，形成帶電射流，射流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定的拉伸過(guò)程并且溶劑不斷地?fù)]發(fā)，最終固化以無(wú)序狀排列在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈[11]。靜電紡過(guò)程如圖2所示。圖2靜電紡過(guò)程示意圖2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析納米纖維主要是指在三維尺度上有兩維的尺寸處于納米范圍（1~10

6、0nm）內(nèi)的線（管）狀材料。目前制造納米纖維的方法有很多，如拉伸法、模板合成法、微相分離法、自組裝法、靜電紡絲法等。其中靜電紡絲法具有價(jià)格低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易、高效等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的納米纖維制備方法，也是目前能夠直接連續(xù)制備納米纖維的唯一有效方法。通過(guò)靜電紡絲法制得的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、長(zhǎng)徑比大、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，許多材料包括天然聚合物、合成聚合物以及它們的混合物都可以通過(guò)靜電紡絲成功制備納米纖維，到目前為止，經(jīng)報(bào)道的已經(jīng)大約有100多種聚合物利用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)或者納米纖維。隨著納米纖維研究的迅速升溫，高壓靜電場(chǎng)紡絲技術(shù)又引起了人們對(duì)其深入

7、研究的興趣，并在眾多領(lǐng)域?qū)o電紡絲納米纖維進(jìn)行廣泛地研究，目前，靜電紡絲納米纖維在過(guò)濾材料、藥物傳遞、傷口防護(hù)、骨架組織工程、航空航天及燃料電池材料等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2013年Datsyuk等采用靜電紡絲技術(shù)制備高導(dǎo)熱核-殼結(jié)構(gòu)的碳納米管-聚苯并咪唑復(fù)合納米纖維，當(dāng)復(fù)合纖維中碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94%時(shí)，復(fù)合纖維的熱導(dǎo)率可增加近50倍。2014年Kim等以靜電紡碳化硅(SiC)納米纖維為增強(qiáng)體，全氟磺酸膜為基體，制備了SiC納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,該SiC納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常適合應(yīng)用于燃料電池材料。201