静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景概要

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1、静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景引言：术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;

2、高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05um一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个

3、方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。1静电纺丝的基本原理在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中，喷射流被迅速拉细，溶剂也迅速挥发，最终形成直径在nm级

4、的纤维，并以随机的方式散落在收集装置上，形成无纺布。如图1.2所示[7]，静电纺丝装置主要由三个部分组成:高压电源、喷头、收集装置。其中，高压电源可以采用交流电，但目前应用更广泛的是直流电源;收集装置通常采用的是表面光滑且具有良好导电性的铝箔;普通的喷头采用注射针管或玻璃管，较精细的静电纺丝装置还包括控制溶液添加速率的流量控制器。图1.1静电纺丝装置简图[7]静电纺丝过程是一个流体动力学问题[8]。为了对纺丝产品的性能、形貌及产量能够加以控制，就有必要对纺丝过程进行定量的分析。当给用作纺丝的前驱溶液施加高电压时，电场力就克服了溶液的表面张力，从作为正极的喷嘴纺出丝，在接地的负

5、极被接收屏收集。这个过程大致经历了三个阶段:(1)射流的形成;(2)射流细化:(3)射流固化。1.1射流的形成根据Taylor理论[9]，具有一定勤度的液滴在通电情况下产生微射流是由于电场力的作用导致液体表面产生极大不稳定性造成的，当液滴形成圆锥的半顶角小=49.3°时，液体的表面张力和电场力就达到平衡即形成所谓的Tayloocone。在最近的文献报道中Yarinlssj等[10-13]人认为泰勒锥半顶角应该等于33.5°。射流形成的另一个问题是到底需要多大的电场力射流才会产生，Taylor给出了产生射流的临界电压(射流出现“鞭动”所需要的最小电压)公式:其中:H为收集距离，

6、L为毛细管长度，R为毛细管半径，r溶液的表面张力(H、L、R单位cm;r单位dyn/cm)[14]1.2射流的细化对于射流细化，目前还不是完全清楚。在这一阶段喷射随着喷射细流的进一步细化将产生射流的不稳定。通常人们认为，当带电射流沿着其运动轨迹被加速时，由于自由电荷的相互排斥作用而分裂成多股射流。纤维直径的大小好象主要是由射流产生分裂的数目来决定决定。最近的研究表明，使射流进一步细化的根本原因不是由于自由电荷的相互排斥产生分裂造成的，而是射流喷射过程中产生的高频弯曲、拉伸形成的，射流从喷出到接收屏之间是按照螺旋型轨迹运行的，而不是我们所看到的“分裂”假象[15]。Shin等采

7、用电动流体力学方程的微扰渐进展开级数方法研究了PEO纺丝过程中的稳定性，在对控制方程进行求解后得到如下结论:射流细化过程可能存在三种类型的不稳定，第一种是经典的Rayleigh不稳定[16]，这种不稳定性和射流的轴线成轴对称;第二种也是轴对称不稳定性;第三种是非轴对称的不稳定性，也叫“鞭动”，主要是有曲张力引起的。保持其它实验参数不变，电场力将和不稳定性的程度成正比，即当电场较低时，将产生Rayleigh不稳定;电场强时将产生后两中不稳定。当被电场力加速的射流在其运动过程中不稳固时，将可能出现喷射细流的