静电纺丝资料讲解.ppt

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1、静电纺丝主讲人：罗磊小组成员：于磊逄增媛contents4静电纺丝的基本概念和历史1静电纺丝的设备和基本过程2静电纺丝的原理3静电纺丝的应用5静电纺丝的影响因素相关概念电喷技术：在高压静电场下，导电液滴能够发生高速喷射的现象。静电纺丝：可以认为是带电射流电雾化的一种变形，当液体的粘度较小时，射流在受到电场力的作用后破裂为许多细小的液滴，液滴的直径介于微米和纳米之间，当液滴的粘度较大时，就会形成纤维。泰勒锥：随着电场力的增加，液滴逐渐被拉长，当所施加的电场力的数值与液滴的表面张力相等时，液滴就形成了顶角为49.3°的圆锥，被命名为“泰勒锥”。电喷技术原理的研究历史1915年Zeleny19

2、64年Taylor1882年Rayleigh研究了到底需要多少电荷才能克服液滴的表面张力使液滴劈裂的问题，提出了“Rayleigh”极限数值得出表面张力越高的液体出现弯曲不稳定现象时需要的电压就越高。他认为，液体在电场力的作用下只受到两个力，“电场力和表面张力”，并提出了“泰勒锥”。静电纺丝技术的发展历史1934年Formhals1966年Simons1971年Baumgarten首次在专利中提出该技术。他设计了一套聚合物溶液在强电场下的喷射进行纺丝的加工装置。专利中叙述了用静电纺丝技术制备超细超轻无纺布的装置，且发现粘度高时，纤维连续，粘度低时，纤维短且细。设计了一套装置，可以制备直径

3、在0.05-1.1微米的丙烯酸纤维。考察了纤维直径与溶液黏度、射流长度及环境气体组分之间的关系。1981年Larrondo和Manley将聚乙烯和聚丙烯熔体纺成连续的纤维，研究发现，直径取决于电场，操作温度和熔融体粘度，与喷丝嘴直径无明显关系。基本设备静电纺丝的基本设备包括：高压电源、喷丝头和接收装置。纺丝液通过注射泵从喷丝头中挤出形成小滴，小滴在高压电作用下变成锥形，在超过某一临界电压后进一步激发形成射流，射流在空气中急剧震荡和鞭动，从而拉伸细化，最终沉降在接收装置上。高压电源高压电源提供产生纺丝液射流的高压电，电源的两极分别连接在喷丝头和接收装置。根据电源性质的不同，可分为直流和交流

4、高压电源两种，都可用于静电纺丝。直流高压电在电纺过程中通常采用感应充电的方式，即将直流高压电直接接在喷丝头上，接收装置接地或反之。电压极性对纺丝过程影响不大，实验室多采用高压正电纺丝。交流电电纺可显著提高射流鞭动的稳定性，纤维变粗但有序性增加，同时也可在绝缘的接收装置上有较大的接收面积。但在纺丝过程中交流电频率不易调整（要考虑每次的实验条件：温湿度、溶液性质等）。喷丝头喷丝头的作用就是在纺丝过程中产生纺丝小液滴，提供射流激发位点。一般分为无针头和针头两种不同的喷丝体系，其中针头体系根据针头数量和形式的不同，还可以进一步分为单头、同轴、并列、多头等不同的形式。1、无针头体系。核心思想就是在

5、自由聚合物溶液表面形成大量射流激发位点。2、针头体系。1）单针头单针头最常见，根据需要可选择不同型号的针头。2）同轴针头同轴电纺的一个优点在于可以突破单头体系的限制，将一些难以直接电纺的聚合物通过同轴电纺装置制备纳米纤维。另一个优势是通过将核层选择性移除，还可以制备中空纳米纤维结构。3）并列式针头并列式针头体系是一种结构简单却易于实现功能化纳米纤维制备的喷丝头体系。它将不同的聚合物溶液通过紧密靠在一起的并列式针头同时进行射流激发，在电纺过程中平行射流融合，得到多根纤维互相连接的束状单根纤维，因此特别适合制备双组份聚合物纤维。并列式针头4）多针头在并列式针头装置的基础上，进一步增大针头间的

6、距离就发展为多可针头体系，针头数量从2个到十几个不等，也称为平行电纺。多针头纺丝体系接收装置接收装置用于收集电纺纤维，常规接受装置主要包括平板、滚筒、间隔收集装置、转盘、金属丝鼓、凝固浴等；根据电纺丝过程中喷丝头及接收装置之间是否存在相对运动，又可分为静态接收和动态接收两种接收方式。1、常规接收装置由于电纺过程中鞭动的不稳定性，收集到的纤维常为无规堆积的无纺布形式。通过改变接收装置，可以得到其他不同的纤维聚集形式。平板接收滚筒接收2、辅助接收装置在射流鞭动细化过程中，主要受到电场力的作用，因此通过引入接收装置改变电场形状或者引入其他场如磁场，就能调控射流运动轨迹，达到可控收集的目的。环形

7、电极辅助接收装置单针头纳米纤维同轴纳米纤维静电纺的分类：根据电纺时纺丝液体系是溶液状态还是熔融状态，可以分为溶液静电纺和熔融静电纺。溶液静电纺技术的未来蕴含着无限可能，但是也有一些自身难以克服的缺点：1、电纺体系中只有10%左右为聚合物，纺丝效率低；2、某些电纺体系需在强腐蚀性或高剧毒性溶剂中进行；3、有机溶剂成本高、不易回收，易造成环境污染等。以上缺点均限制了溶液纺丝的进一步工业化应用，一个可能的解决方法就是熔体静电纺丝。熔体静电