辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析文献综述

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1、文献综述辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析一、前言部分1静电纺丝的定义及其过程静电纺丝是一种制备纳米纤维的方法，其设备一般包括高压静电发生器、供液装置和接收装置。它是利用静电荷使喷嘴尖端的聚合物溶液从半球形转变成锥形，并进而使射流从顶端喷射出来形成超细纤维的过程。静电纺丝纤维的直径范围一般从10nm到10μm。纳米纤维有希望用于多种高新领域，比如导电聚合物生物传感器、过滤膜、生物化学支架、创伤敷料、人造器官、纳米电子器件、纳米复合材料以及化学防护服。简单地说，静电纺丝基本的过程如下：利用注射泵将注射器中的聚合物溶液引入针头，在高电场作用下，针头尖端的液滴由

2、半球形变成锥形(称为泰勒锥)，当外加电压达到临界值时，静电排斥力克服溶液的表面张力，带电射流便从锥顶端喷出；然后经历鞭动，同时受到静电排斥力而持续伸长，最后沉积到接地收集装置上。2静电纺丝中出现的问题及相关定义静电纺丝技术已经成功地纺制出多种聚合物纳米纤维，据文献报道已经有制造出直径达5纳米的静电纺聚合物纳米纤维。然而，该成果的具体做法还没有清晰地提出，在静电纺丝下纺制出这种超细的纳米级聚合物纤维仍然存在一些困难。由于纳米级结构及其大比表面积，这些超细聚合物纳米纤维具有一定商业价值，可以应用于多种产品之中，比如说过滤膜和防护服等方面[5]。产量低及纺丝过程中射流的不稳定

3、性是制约其进一步发展的瓶颈，进而给静电纺丝走向产业化造成了一定的阻力。而多喷头装置和辅助电极的应用是实现其高产量和稳定射流的一个重要的方向。（1）何谓多喷头多喷头静电纺丝是目前增加产量的有效方法之一，也是静电纺丝工业化生产的主要发展方向之一。多喷头静电纺丝中多个喷嘴平行或成一定阵形排布，引入电场后，形成的喷射细流间会出现电场的相互干扰，而通过引入辅助电极可在一定程度上克服这种弊端。（2）何谓辅助电极7辅助电极也叫对电极，它只用来通过电流以实现研究电极的极化。研究阴极过程时，辅助电极作阳极，而研究阳极过程时，辅助电极作阴极。辅助电极的面积一般比研究电极大，这样就降低了辅助

4、电极上的电流密度，使其在测量过程中基本上不被极化，因而常用铂黑电极作辅助电极。有时为了测量简便，辅助电极也可以用与研究电极相同的金属制作。静电纺丝中使用辅助电极可以稳定射流并均匀纤维。静电纺纤维的物理机械性能受分子结晶度和取向度的影响，他们的结晶结构受纺丝过程中各参数和聚合物溶液电学及流变性质的影响。辅助电极在静电纺丝过程中可以看做是一个起稳定性的作用的装置[6]。二、主题部分1静电纺丝的历史背景纳米纤维具有大比表面积和小尺寸效应等特点，被广泛应用于材料应用领域。静电纺丝制备纳米纤维是最简单、最便宜和最直接的方法之一，自20世纪90年代以来，一直是研究的热点。1902年

5、Cooley和Morton申请了世界上第一项关于静电纺丝的专利[1]，从此揭开了静电纺丝研究的序幕。1934-1944年Formhals[2]在没有使用喷丝嘴的条件下自主设计了10个关于静电纺丝的装置，并申请了专利。1966年Simons[3]用已申请静电纺丝技术专利的装置制备了超细纤维无纺布，推动了静电纺纺丝的进一步发展。到了1971年，Baumgarten[4]研究了溶剂和工艺参数对静电纺丝纤维结构性能的影响。2喷头类型及发展静电纺丝的喷头类型可按不同的方法分类，如按喷头的数量分类，主要有单喷头、双喷头、多喷头和无喷头等类型。单喷头静电纺丝的设备最简单，但产量太低。

6、为了提高静电纺丝的产量和定制纤维的特殊性能，科研工作者对喷头数量或(和)喷头形式进行了改进。2．1单喷头单喷头静电纺丝的改进主要致力于改善纤维的形态和性能。气流单喷头静电纺丝是在喷头处引入一股压力气流，加速纺丝液喷出，这种方式可以增加纤维的均匀性和细度。有研究员通过气流静电纺丝装置制备了平均直径为80nm的PES纳米纤维，发现毛细管内径越小和气流流动速率越大，所制得纤维的直径就会越小。也有人用类似的空气驱动静电纺丝装置研究了静电纺丝。该装置是利用空气流从上部沿器壁成切线漩涡流动，由此制备的聚己内酰胺亚微米细丝不但具有波浪纹的效果，而且没有串珠缺陷。共轴静电纺丝主要是用于

7、制备皮芯结构纤维或空心纤维。DanLi[7]等通过共轴静电纺丝装置制备了聚合物／无机物或两种不相容溶液的共轴纤维，通过随后溶去纤维芯层的聚合物或化合物，可得到中空纤维。有人利用双共轴和三共轴的静电纺丝装置进行静电纺丝，在接收板和喷头分别连接负电压和正电压，最后获得了直径分布在350～400nm7的木质素纳米纤维，这是生产木质素纤维的一项重大进展。此后也有人通过共轴静电纺丝装置制备了PU(皮)／PA6(芯)纳米纤维，这种纤维展现出来的性能介于PU纤维与PA6纤维各自性能之间，达到了性能互补的效果。2．2双喷头MeiLi[8]等分别连接正电压