电纺纳米纤维多级形貌调控研究进展-论文.pdf

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1、高分子通报2012年8月电纺纳米纤维多级形貌调控研究进展王超，郝一帆。，贺爱华(1．青岛科技大学高分子科学与工程学院椽塑材料与工程教育部重点实验室，青岛266042；2．大连理工大学化工学院，大连116000)摘要：“静电纺丝”是目前制备纳米级纤维最为简单有效的方法，其制得的纤维材料具有径细、质轻、比表面大、孔隙率大等优点，应用前景广泛。与传统纤维相比，电纺纤维具有一些独特的形貌结构特点。本文根据电纺纤维的宏观、微观形貌特征将其划分为三级形态(多根纳米纤维排列形成的聚集形貌)、二级形态(单根纳米纤维的宏观形貌)以及一级形态(单根纳米

2、纤维的介观及微观形貌)，详述了各级形态纤维的形貌结构特点、制备方法以及形成机理，并对这些形态各异纤维材料的应用前景进行了展望。关键词：静电纺丝；纳米纤维；形貌；结构引言静电纺丝是通过给聚合物溶液或熔体施加外电场来制备聚合物超细纤维的纺丝技术，其制得的纤维直径在1Onm～1OOO肚m之间。相对于一般方法制得的纤维，电纺技术生产的纤维，具有径细、质轻、比表面大、孔隙率大、质量体积比小等优点卜引，特别适合作组织工程材料使用，同时在过滤膜、超敏感传感器、智能服装等方面有潜在应用前景]。1静电纺丝的设备与原理静电纺丝技术最早报道于1934年的

3、美国专利，发明人Formhals用丙酮和乙醇作为溶剂成功纺制出醋酸纤维素纤维l_7]。近年来作为制备纳米级纤维最便捷有效的方法，电纺技术吸引了人们的极大关注，相关的研究论文每年显著递增。静电纺丝设备一般由三部分组成：高压电源、喷丝装置和收集装置[8．9]。高压电源的作用主要是提供产生纤维时必需的高压电场，一般采用直流电。喷丝装置由储液装置和喷丝头组成，前者可稳定提供聚合物溶液或熔体，一般是小型针管或吸液管；后者可使流体匀速流出形成悬垂液滴，一般是金属针头或毛细管。收集装置主要用来接收制得的超细纤维，一般是接地的金属板、滚筒或网格。静

4、电纺丝的原理可解释如下：当给聚合物溶液或熔体施加高压静电后，喷丝口处的液体形状就发生了改变，成为“Taylor锥”。当电场强度达到一个临界值时，电场力就能克服液体的表面张力，由锥体顶端处拉伸，形成一股带电的喷射流。射流在直线飞行一定距离后，在电场力的作用下发生不稳定弯曲，然后沿螺旋路径行进，由于带电射流的连续拉伸，使得射流变细，在这个过程中溶剂迅速挥发或熔融体系冷却而固化。最后由于收集装置的吸引，纤维固化排列其上_1]。2电纺纳米纤维的形貌与结构随着人们对电纺研究的不断深入，所得到的纤维形貌也变得丰富多彩。近年来研究者们通过改变收收

5、稿：2011-12—22；修回：2012—01—06；基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．50973123，No．50503023)；作者简介：王超(1986一)，男，硕士研究生，从事静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用的研究；通讯联系人：E—mail：aihuahe@iccas．ac．cn；Tel：0532—84022951．高分子通报2012年8月纺纤维表面成孔原因进行解释是不严谨的。关于电纺纤维成孔机理，另一个可能的解释就是相分离理论。有四种主要的相分离理论：热诱导相分离、浸没沉淀相分离、空气侵入溶液相分离和蒸汽诱导相分

6、离。这四种理论的区别在于相分离的诱导因素不同。热力学的不稳定性是相分离发生的驱动力，温度的降低，溶剂的挥发以及非溶剂的增加都会导致溶液变得热力学不稳定。而在静电纺丝的过程中，上述的三种情形都会发生，这也使得相分离理论可以用来解释电纺纤维成孔的原因。静电纺丝过程，聚合物的微小射流在高压静电场中高速拉伸并伴随着溶剂快速挥发，这两者促使射流发生快速相分离，形成聚合物富集相区和溶剂富集相区。当溶剂挥发完全后，聚合物富集相区就形成了纤维的骨架；溶剂富集相区就形成了纤维上的凹陷处，也就是孔洞。目前，由诸多实验结果来看，纤维表面能否出现孔洞结构首

7、先要看聚合物的玻璃化转变温度，玻璃化转变温度较高的聚合物电纺纤维表面易出现孔洞结构，另外溶剂的挥发性还有纺丝环境的湿度会影响到纤维表面的成孔，这两点都与蒸汽诱导相分离理论相符。但鉴于电纺过程的复杂性目前并不能对此下定论，还需要更加深入的研究。除了孑L洞结构，电纺纤维表面还会出现褶皱、沟槽等结构。这主要是通过混纺后再进行选择性溶剂抽提制得的。将两种完全不相混的聚合物溶于同一种溶剂配成溶液再用于静电纺丝，得到的纤维经过一些特殊处理(如溶剂萃取、热降解、紫外光辐射等)就可能出现与众不同的形貌(图5Gl_5、H、I【5。)，这些特殊的形貌进

8、一步增大了纤维的比表面积，可应用于高效过滤、传感、保温等领域。3展望静电纺丝技术在近几年引起了人们的广泛关注，随着用于静电纺丝的聚合物不断增多以及纺丝设备的不断改进，制得的纳米纤维的形貌与结构也变得丰富多彩。各种各样的纳米纤维也为这些