纳米蜘蛛——静电纺丝纳米纤维工业化的武器

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静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展

静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展

静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展静电纺丝技术是一种基于静电吸引原理制备纳米纤维膜的方法,近年来得到了广泛的关注和研究。

它能够将聚合物溶液通过高压电场形成纤维,并沉积在基板上制备出纳米纤维膜。

由于其简单、低成本、高效率等优点,静电纺丝技术在许多领域,如材料科学、纺织工程、生物医学等方面都得到了广泛的应用和发展。

在静电纺丝技术制备纳米纤维膜方面,研究人员主要集中在改进纺丝设备和优化纺丝工艺、探索新型纺丝材料、功能化纳米纤维膜的制备以及应用等方面。

这些研究进展为纳米纤维膜的制备提供了许多新的途径和可能性。

首先,纺丝设备及工艺的改进是静电纺丝技术发展的关键。

目前的静电纺丝装置通常采用高压发生器和喷嘴构成,但存在纤维直径分布不均匀、纤维动态不稳定等问题。

为了克服这些问题,研究人员通过改变电场设置和流体控制来实现纺丝参数的调节,如电压、喷嘴直径、溶液浓度等,以改善纤维的均匀性和稳定性。

此外,研究人员还尝试使用旋转喷嘴、多孔板等新型装置,以进一步提高纺丝效果。

其次,纺丝材料的选择和改进也对纳米纤维膜的制备至关重要。

传统上,聚合物是纺丝材料的主要选择,如聚丙烯、聚乳酸等。

近年来,研究人员还开始尝试使用天然聚合物、无机纳米颗粒和功能性添加剂等作为纺丝材料,以获得具有特殊性能的纳米纤维膜。

例如,天然聚合物纳米纤维膜具有优异的生物相容性和可降解性,在医学领域有很大的应用潜力。

此外,纳米纤维膜的功能化制备也是当前研究的热点之一。

通过添加纳米颗粒、导电材料、抗菌剂等,可以使纳米纤维膜具备光催化、导电、抗菌等特殊功能。

例如,加入二氧化钛纳米颗粒的聚丙烯纳米纤维膜在光催化降解有机污染物方面显示出良好的性能。

此外,添加导电剂可以赋予纳米纤维膜导电性能,拓展其在传感器、光电器件等领域的应用。

纳米纤维膜在许多领域中具有广泛的应用前景。

在过滤分离领域,纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙度,可以用于气体过滤、水处理等。

此外,纳米纤维膜的高比表面积和纤维间的微米级孔隙结构也使其在能量储存和催化领域有着重要的应用。

静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景

静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景

静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景一、本文概述本文旨在深入探讨静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景。

我们将详细阐述静电纺丝技术的基本原理,包括其工作原理、操作步骤以及关键影响因素。

接着,我们将概述当前静电纺丝纳米纤维的研究现状,包括纳米纤维的制备技术、性能调控以及应用领域等方面的最新进展。

我们将展望静电纺丝纳米纤维的未来应用前景,分析其在各个领域中的潜在应用价值以及可能面临的挑战。

通过本文的综述,我们希望能够为相关领域的研究人员提供关于静电纺丝纳米纤维的全面了解,并为未来的研究提供有益的参考和启示。

我们也期望能够引起更多研究者对静电纺丝纳米纤维技术的关注,共同推动其在各个领域的广泛应用和发展。

二、静电纺丝纳米纤维的工艺原理静电纺丝是一种利用静电场力将高分子溶液或熔体拉伸成纳米级纤维的技术。

其工艺原理主要涉及到电场力、表面张力和高分子链的缠结作用。

在静电纺丝过程中,高分子溶液或熔体被置于一个强静电场中。

当电场强度足够大时,液体表面电荷密度增加,形成泰勒锥。

随着电荷的不断积累,电场力克服表面张力,使得泰勒锥的尖端形成射流。

射流在电场力的作用下被迅速拉伸,同时溶剂挥发或熔体冷却固化,最终形成纳米级纤维。

在这个过程中,高分子链的缠结作用也起到了关键作用。

高分子链之间的缠结使得纤维在拉伸过程中保持一定的结构稳定性,防止纤维断裂。

缠结作用还有助于纤维在接收装置上的沉积和收集。

静电纺丝技术具有操作简便、纤维直径可控、可制备多种材料等优点,因此在纳米材料制备、生物医用、环境保护等领域具有广泛的应用前景。

通过深入研究静电纺丝纳米纤维的工艺原理,可以进一步优化纺丝过程,提高纤维的性能和产量,为相关领域的科技进步做出贡献。

三、静电纺丝纳米纤维的现状静电纺丝技术自其诞生以来,在纳米纤维制备领域已经取得了显著的进展,并逐渐发展成为一种高效、可控的纳米纤维生产方法。

目前,静电纺丝纳米纤维的研究与应用已经涉及到了众多领域,如环境保护、生物医疗、能源科技、纺织工程等。

蜘蛛丝在工业制造中的应用技术

蜘蛛丝在工业制造中的应用技术

蜘蛛丝在工业制造中的应用技术蜘蛛丝是一种天然材料,具有出色的强度和韧性,被广泛应用于工业制造领域。

本文将介绍蜘蛛丝在纺织、医疗、航空航天和材料科学领域的应用技术。

一、蜘蛛丝在纺织领域的应用技术1. 高强度纤维制造:蜘蛛丝是一种具有超强强度的纤维材料,可以替代传统的合成纤维。

目前,科学家已成功把蜘蛛丝基因导入绵蚕或大肠杆菌等生物体内,利用生物技术制造出大量蜘蛛丝纤维。

2. 织物增强:将蜘蛛丝添加到纺织品中,可以显著提高纺织品的强度和耐磨性。

蜘蛛丝纤维可以与丝绸、棉织品等其他材料结合,增强织物的性能。

3. 纺线技术改进:蜘蛛丝是一种非常细且柔软的材料,传统的纺织技术无法直接纺制。

研究人员通过改进纺线技术,成功地将蜘蛛丝纤维转变为可用于纺织的线材。

二、蜘蛛丝在医疗领域的应用技术1. 生物材料:蜘蛛丝具有良好的生物相容性和生物降解性,可以被用作医疗器械和植入材料。

蜘蛛丝纤维可以制成缝合线、人工皮肤等医疗器械,用于外科手术和伤口愈合。

2. 药物传递系统:科学家利用蜘蛛丝的结构特性,开发出一种新型的药物传递系统。

药物可以被包裹在蜘蛛丝纤维内,通过控制纤维的解析速度,实现持续释放药物的效果。

三、蜘蛛丝在航空航天领域的应用技术1. 轻质高强材料:蜘蛛丝的强度与重量比是许多工程材料难以比拟的。

在航空航天领域,利用蜘蛛丝可以制造出轻质高强的材料,用于制作飞行器的结构件和支撑结构。

2. 防护装备:蜘蛛丝的高强度和高韧性使其成为一种优秀的防护材料。

蜘蛛丝纤维可以用于制作防弹衣、防护面具等装备,为航空航天人员提供更好的安全保护。

四、蜘蛛丝在材料科学领域的应用技术1. 生物仿生材料:蜘蛛丝具有独特的力学性能和结构特征,可以作为生物仿生材料的研究对象。

通过研究蜘蛛丝的结构和制造工艺,可以为人造纤维、高性能复合材料等领域提供新的启示。

2. 纳米技术应用:蜘蛛丝具有纳米级的细小结构,其纤维直径约为几十到几百纳米。

借助纳米技术,研究人员可以改变蜘蛛丝的性质和形态,进一步扩展其在材料科学领域的应用。

纳米纤维静电纺丝技术的工业化应用方案

纳米纤维静电纺丝技术的工业化应用方案

纳米纤维静电纺丝技术的工业化应用方案纳米纤维静电纺丝技术的工业化应用方案纳米纤维静电纺丝技术是一项先进的制备纳米纤维的方法,其具有广泛的工业应用前景。

它通过将高分子溶液通过电场作用产生细长的纤维,可在多个领域发挥重要作用,如纺织品、过滤材料、生物医学、能源储存等。

下面将介绍一种工业化应用方案。

首先,纳米纤维静电纺丝技术可应用于纺织品行业。

传统的纺织品存在着纤维粗糙、透气性差等问题,而纳米纤维静电纺丝技术可以制备出直径为纳米级的纤维,具有更好的透气性和柔软性。

因此,可以将纳米纤维应用于面料制造,提升纺织品的舒适性和功能性。

此外,纳米纤维还可以用于制备抗菌纺织品,可广泛应用于医用、护理等领域。

其次,纳米纤维静电纺丝技术还可用于过滤材料的制备。

纳米纤维具有细小的孔隙和高比表面积,可用于制备高效的过滤材料。

例如,可以将纳米纤维应用于空气过滤器、水处理设备等,用于去除细小颗粒物、有害气体等污染物,提供更好的环境保护和健康保障。

此外,纳米纤维静电纺丝技术还可应用于生物医学领域。

纳米纤维具有与人体细胞相似的尺度,因此可以用于细胞培养基质、人工血管、组织修复等方面。

通过纳米纤维的特殊结构和生物相容性,可以促进细胞的附着、增殖和分化,有助于生物医学领域的疾病治疗和组织工程的发展。

最后,纳米纤维静电纺丝技术还可用于能源储存领域。

纳米纤维可以制备出具有高比表面积和良好导电性的电极材料,可应用于超级电容器、锂离子电池等能源存储设备。

通过纳米纤维技术的应用,可以提高能源储存设备的性能和稳定性,推动清洁能源的发展。

综上所述,纳米纤维静电纺丝技术具有广泛的工业化应用前景。

在纺织品、过滤材料、生物医学、能源储存等领域,纳米纤维技术都可以发挥重要作用,提供更好的产品和解决方案。

随着技术的不断发展和成熟,相信纳米纤维静电纺丝技术将在未来实现更多的工业化应用。

从_纳米蜘蛛_说起_电纺丝的全球产业化_王波

从_纳米蜘蛛_说起_电纺丝的全球产业化_王波
[1]
图 4 将无纺布过滤装置用于室内气候控制和空气过滤
。 它最早将无纺布引入了市场, 时至
今日依然在这一领域中占据领先地 位, 具有独特性能的产品更是数不胜 数 (图4 、 图5 和图6 ) , 例如, 由微纤组 成的织物Evolon, 动态环境控制材料 Comfortemp, 以及三维无纺布材料 Novolon等。 此外, 无纺布产品还在服 装面料、 过滤器材、 地毯、 医药卫生以 及多项工业领域中发挥着重要的作 用。 Kato Tech株式会社是世界上掌 握各类样品测试手段最全面的一家企 业, 其测量方法的广度和覆盖面在欧
Advanced Materials Industry
5 9
F rontier 前沿
美、 亚洲和太平洋多个国家都非常知 名。 Kato Tech株式会社拥有自己独 有的电纺丝设备和电纺丝纳米纤维实 验室 (E . N . U . ) , 采用单根或多根不 锈钢喷丝头, 生产直径在50~800nm 的超细纤维, 这些纤维可以用在多个 工业领域当中 (图7) 。 S T A R I n c .公司他们主要开发 应用于伤口组织敷料的纳米纤维制 品, 这种纳米纤维制品是一种聚合物 的网状物质, 具有生物可降解性和防
结束语
在国内, 尽管电纺丝一直没有形 成规模的工业生产, 但已经出现了一 系列电纺丝设备和电纺丝纳米纤维的 相关专利和会议报道, 为电纺丝的实 际工业生产打下了良好的基础。 例如, 东南大学的李新松等人发明了一系列 专利, 包括组合式电纺装置[2]、 纳米纤 维长丝纺丝装置 (多重双喷丝头纺丝
[3,4] 装置) 等, 同济大学的黄争鸣等人
图 5 将无纺布过滤装置用于工业除尘
6 0
新材料产业 NO.6 2007

静电纺丝纳米纤维膜的应用

静电纺丝纳米纤维膜的应用

静电纺丝纳米纤维膜的应用
静电纺丝纳米纤维膜是一种新型的膜材料,它具有优异的机
械性能、耐腐蚀性和耐热性,可以用于多种应用领域。

首先,静电纺丝纳米纤维膜可以用于滤液和过滤。

它具有优
异的滤液性能,可以有效地过滤悬浮物,把悬浮物从液体中分离
出来,从而达到净化液体的目的。

此外,它还可以用于过滤气体,可以有效地捕获气体中的微粒,从而达到净化空气的目的。

其次,静电纺丝纳米纤维膜还可以用于制造电子元件。

它具
有优异的电绝缘性能,可以有效地阻止电子元件中的电子流动,
从而达到保护电子元件的目的。

此外,它还可以用于制造电子器件,可以有效地抑制电子器件中的电磁干扰,从而达到保护电子
器件的目的。

最后,静电纺丝纳米纤维膜还可以用于制造热管和热管绝缘层。

它具有优异的热绝缘性能,可以有效地阻止热量的传导,从
而达到保护热管的目的。

此外,它还可以用于制造热管绝缘层,
可以有效地阻止热量的传导,从而达到保护热管的目的。

总之,静电纺丝纳米纤维膜具有优异的机械性能、耐腐蚀性
和耐热性,可以用于滤液、过滤气体、制造电子元件、制造热管
和热管绝缘层等多种应用领域。

静电纺丝纳米纤维制备与应用研究

静电纺丝纳米纤维制备与应用研究

静电纺丝纳米纤维制备与应用研究概述静电纺丝纳米纤维技术是一种制备纳米纤维的新型工艺,采用静电场作用使高分子材料形成极细的纤维。

静电纺丝技术具有成本低、工艺简单等优点,因此近年来越来越多的科学家们开始关注这项技术,并积极进行研究,不断拓展其应用领域。

静电纺丝纳米纤维制备静电纺丝是一种无模板、无溶剂的制备技术,仅需在电场作用下使溶液中的高分子溶液不断发生列向伸张、电介质内的带电离子复合结构形成,并引导高分子流体在不同的相空间中逐渐聚合,形成具有高比表面积和纤维形态的纳米材料。

制备过程中,需要考虑材料中高分子浓度、电压、电场强度等因素的影响,从而得到尺寸、结构和物理性能优异的纳米纤维。

静电纺丝纳米纤维应用研究静电纺丝纳米纤维应用广泛,从新能源材料、环保材料到医疗用材料等领域都有其独特的应用价值。

1. 新能源材料静电纺丝纳米纤维可以被用于构建半导体器件、薄膜电池、光伏电池等新型太阳能电池材料,以及燃料电池、锂离子电池等能源转换材料。

静电纺丝纳米纤维的纤维形态和高比表面积具有机械强度高、光催化性能好等特点,可以在新能源材料的研究中发挥积极的作用。

2. 环保材料静电纺丝纳米纤维作为一种绿色材料,可以被用于制备空气、水处理、催化剂等材料。

其中,在空气净化方面,静电纺丝纳米纤维研发的纳米净化器,可以实现水处理、空气处理等方面的智能化、低能耗、高效环保的净化作用。

3. 医疗用材料静电纺丝纳米纤维作为一种生物可降解材料,具有良好的生物相容性和生物可降解性,可以被用于制备生物材料如绷带、人工器官等医疗用品。

此外,静电纺丝纳米纤维在制备医疗用品时具有材料安全性好、可控性强、防污性好等优点,因此在医疗用材料领域具有广泛的应用前景。

总结静电纺丝纳米纤维是一种具有广泛应用前景的新型技术,不仅在新能源材料方面具有重要作用,也在环保、医疗用材料等领域得到了广泛的应用。

未来,随着科学技术的不断进步和高分子化学等领域理论的不断深入,静电纺丝纳米纤维技术和材料将会得到更大的发展和应用。

静电纺丝技术制备纳米功能纤维的研究

静电纺丝技术制备纳米功能纤维的研究

静电纺丝技术制备纳米功能纤维的研究1. 前言纳米技术一直是科学家们的研究热点,纳米功能纤维的制备就是其中的一项重要应用。

静电纺丝技术作为一种简单、高效、低成本的制备纳米功能纤维的方法,受到了广泛关注。

本文将从静电纺丝技术的原理开始,介绍其制备纳米功能纤维的过程、应用及其未来发展。

2. 静电纺丝技术的原理静电纺丝技术是一种利用静电场将高分子溶液或熔融物制备成不同形态的纳米纤维的技术。

一般而言,静电纺丝技术的原理非常简单,首先将高分子溶液或熔融物注入到毛细管中,然后通过电极在溶液或熔融物中加入高压电场,这样高分子材料会形成纳米纤维,从而得到所需的纳米功能纤维。

3. 制备纳米功能纤维的过程通常情况下,静电纺丝技术制备纳米功能纤维的过程包括以下几个步骤:3.1 高分子溶液或熔融物的制备首先需要制备高分子溶液或熔融物,并加入适量的溶剂。

高分子溶液的制备需要考虑到高分子的质量浓度以及所需的物性参数,如药物透过性、力学强度等。

熔融物则需要考虑到熔点、熔融拉伸性等。

3.2 静电纺丝装置的选择和设定然后根据所需的纳米功能纤维的形态及材料的特性等因素,选择合适的静电纺丝装置,并设置合适的高压电场、毛细管直径、溶液的流量及距离等参数,以保证纳米纤维的制备效果。

3.3 制备纳米功能纤维将高分子溶液或熔融物通过喷嘴或毛细管注射进入静电纺丝装置中,施加高压电场后,便可以制备所需的纳米功能纤维,具体的形态和尺寸可以根据所设置的参数控制。

4. 应用及其未来发展静电纺丝技术制备的纳米功能纤维具有广泛的应用前景。

例如,制备出的聚合物纳米纤维可以应用于细胞培养、组织工程、药物输送等领域,而其他的纳米功能纤维制备的材料则可以应用于各种领域,如能源、环境等。

未来,随着对纳米技术及纳米功能纤维的研究深入,在制备工艺、纳米功能纤维的性能以及应用方面的突破,预计将有更多的领域将应用到静电纺丝技术中,极大的推进纳米技术的发展。

5. 结论综上所述,静电纺丝技术的制备纳米功能纤维是一种简单高效、成本低的原理,其对于制备高性能的纳米功能纤维有非常重要的作用。

静电纺丝纳米纤维的制备及应用研究

静电纺丝纳米纤维的制备及应用研究

静电纺丝纳米纤维的制备及应用研究静电纺丝技术是一种将聚合物液体或溶液转变为纤维的方法,其在制备纳米纤维方面具有广泛的应用。

静电纺丝纳米纤维具有极高的表面积和孔隙率,其特殊的物理和化学性质使其在生物医学、纳米复合材料、能源储存和传输等领域中有着重要的应用价值。

静电纺丝纳米纤维的制备静电纺丝法是目前制备纳米纤维最常用的方法之一。

其基本过程为:聚合物或聚合物溶液被注入静电纺丝机的喷头,施加高电压使聚合物形成高电场下的聚合物纤维,再通过卷绕、干燥等步骤得到具有纳米级直径的纳米纤维。

静电纺丝纳米纤维的直径可控范围很大,一般为50-500纳米,最小可达10纳米。

静电纺丝纳米纤维的纤维间距、孔径大小和表面性质等均可控制。

静电纺丝纳米纤维的制备工艺需要考虑材料的选择、聚合物浓度和溶液的性质等多方面因素。

不同材料的静电纺丝特性不同,需要根据实际应用选择最合适的聚合物。

聚合物浓度和溶液的性质会影响到纳米纤维的直径、表面性质和孔隙率等,因此需要设计优化制备条件。

同时,制备静电纺丝纳米纤维需要考虑操作的安全性和可行性,需要使用自动化设备和严格的操作规程来确保品质和稳定性。

静电纺丝纳米纤维的应用静电纺丝纳米纤维在医学领域中的应用是其最为广泛的应用之一。

静电纺丝纳米纤维具有极高的比表面积和孔隙率,因此可以作为人工细胞结构、药物载体和生物材料等用于构建组织工程和治疗疾病。

由于静电纺丝纳米纤维可以精确控制纤维直径和孔隙率等特性,因此可以用于模拟复杂的生物环境和调控细胞行为。

同时,静电纺丝纳米纤维的高比表面积还可以提高药物在体内的生物利用度和缩短治疗时间。

静电纺丝纳米纤维在材料科学领域中也有重要的应用。

由于其具有良好的机械性能、热稳定性和导电性能等,因此可以作为复合材料和能源储存器件等方面的材料基础。

静电纺丝纳米纤维可以与其他纳米材料相结合,形成具有优异性能的纳米复合材料。

同时,静电纺丝纳米纤维可以用于制备电池材料等电能转换和储存器件,可以提高电池的放电性能和节约非再生资源。

静电纺丝技术制备纳米纤维的应用探讨

静电纺丝技术制备纳米纤维的应用探讨

静电纺丝技术制备纳米纤维的应用探讨随着纳米科技的不断发展,纳米材料在各个领域中的应用也逐渐增多。

其中,纳米纤维是一种应用十分广泛的纳米材料,它具有极高的比表面积和表面能,因此在生物医学、纺织、环境保护、新能源等领域中都有重要的应用。

静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的重要手段,其制备出的纤维具有较高的纯度、均一性和可控性,因此也成为了研究领域中最受欢迎的方法之一。

静电纺丝技术是一种由悬浮在纺杆上的高分子液滴通过高压电场产生的电荷极化作用实现的纳米纤维制备技术。

该技术具有制备成本低、操作简单、可控性高等特点,因此被广泛应用于生物医学、纺织、环境保护、新能源等领域。

生物医学方面,利用静电纺丝技术制备的纳米纤维在细胞培养、组织修复、肿瘤治疗等方面都有着很好的应用。

例如,在修复神经组织方面,制备出的纳米纤维可以用于神经元的引导和定向生长,从而实现神经组织的修复和再生。

在肿瘤治疗方面,利用静电纺丝技术可以制备出具有不同功能的纤维膜,这些膜可以用于肿瘤的局部化治疗以及肿瘤细胞的隔离和去除等方面。

纺织方面,静电纺丝技术可以制备出具有特殊功能的纤维材料,比如抗菌、防水、防火、自净等纤维产品。

例如,在纺织面料方面,利用静电纺丝技术制备的纳米纤维可以在面料中添加防水剂、防护剂等功能性物质,从而大大提高纺织面料的透气性、防水性、防污性等性能。

环境保护方面,静电纺丝技术可以通过制备纤维膜的方式来解决一些污染问题。

例如,利用静电纺丝技术制备出的纳米纤维材料可以被用于过滤水中的微小颗粒物,从而实现水的净化和治理。

新能源方面,利用静电纺丝技术制备的纳米纤维材料可以被用于制备柔性电池等电子电器设备。

例如,在制造电动汽车时,利用静电纺丝技术可以制备出具有较高导电性的纳米纤维,这些纤维可以被用于电池的制造,从而提高电池的性能。

纵观以上应用领域,静电纺丝技术虽然有诸多优点,但仍存在一些问题。

例如,在制备过程中容易产生纤维断裂、器材磨损等问题,这些问题都会影响到制备产品的质量稳定性。

静电纺丝法制备纳米纤维的研究

静电纺丝法制备纳米纤维的研究

静电纺丝法制备纳米纤维的研究一、引言纳米材料的制备和研究已成为材料科学领域的热点之一。

纳米纤维作为一种具有极细直径和高比表面积的纳米材料,在生物医学、材料科学、环境保护等领域有着广泛的应用前景。

而静电纺丝法作为一种简单易操作、优越的纳米纤维制备技术,近年来在纳米纤维制备领域受到越来越多的关注。

二、静电纺丝法的原理与基本过程静电纺丝法是一种利用静电作用将聚合物液体纺出成纳米级的纤维的过程。

其基本原理是利用电场将聚合物液体与导电液体之间的表面张力降至足够小的极限,从而使液体成为类似于电极反应的液态电荷状态,最终通过空气的干燥使其形成纤维。

静电纺丝法的最基本过程包括:聚合物液体的输送、聚合物液体与导电液体之间的电场形成、纳米材料的形成。

三、静电纺丝法制备纳米纤维的优点静电纺丝法制备纳米纤维具有以下优点:1. 纳米纤维的制备过程简单易操作。

2. 纳米纤维的尺寸可调,可以精确控制。

3. 纳米纤维的成本低廉。

4. 纳米纤维的制备效率高。

5. 纳米纤维的应用范围广泛。

四、静电纺丝法制备纳米纤维的参数及其对纳米纤维的影响静电纺丝法的参数对纳米纤维的形成和性质有着重要的影响,主要包括:1. 聚合物液体的浓度,聚合物液体浓度增加,纤维直径减小。

2. 电压,电压增加,纤维直径减小。

3. 电极之间的距离,电极之间的距离增加,纤维直径增大。

4. 收集器与电极的距离,距离增大,纤维直径减小。

5. 环境湿度,湿度增加,纤维直径减小。

五、静电纺丝法制备纳米纤维在材料领域的应用静电纺丝法制备的纳米纤维,在材料领域有广泛的应用,主要包括:1. 医用纳米纤维:用于制备医用敷料、人工皮肤等。

2. 环保材料:用于制备空气和水净化材料。

3. 能源材料:用于制造太阳能污染物的防护材料,生物燃料电池等。

4. 其他领域:用于制备过滤器、电磁屏蔽涂层、传感器等。

六、结论静电纺丝法是制备纳米纤维的一种重要方法,其制备过程简单、成本低廉、效率高、应用范围广泛。

天然纳米纤维的典范一一蜘蛛丝内容理解

天然纳米纤维的典范一一蜘蛛丝内容理解

天然纳米纤维的典范一一蜘蛛丝内容理解蜘蛛丝是一种天然纳米纤维,其特点是轻盈、柔软、强韧、透气、防水、防紫外线等。

蜘蛛丝由蜘蛛的腺体分泌出来,经过一系列生化反应形成纤维。

蜘蛛丝的组成成份是蛋白质,两条多肽链中间夹杂有一些小分子,这些小分子充满了蜘蛛丝的空隙。

这些空隙对蜘蛛丝的物理性质起到了关键性的作用。

蜘蛛丝的强韧性是其最显著的特征之一。

研究发现,蜘蛛丝的拉伸强度比钢铁的拉伸强度高六倍,而且蜘蛛丝最多能拉到原长的四倍。

这是因为蜘蛛丝的分子结构非常精细,组成了一种多级分层的结构。

在这种结构中,只有极小的局部区域才承受拉力,其他区域都以柔性粘合,形成了类似于钢筋混凝土的结构。

因此,蜘蛛丝可以承受巨大的张力。

蜘蛛丝的柔软性也非常出色。

蜘蛛丝可以在各种曲面上自由滑动、弯曲,不易断裂。

这一点与人造纤维不同。

人造纤维的弯曲范围狭窄,容易在切割时断裂。

而蜘蛛丝在天然环境中的柔韧性可以使它适应各种动态环境。

蜘蛛丝的透气性很高。

它的空隙允许水和空气自由流经丝线。

它还可以防水,因为蜘蛛丝的小分子可以吸附水分,形成一个保护膜,不会让水分进入到纤维中。

另外,蜘蛛丝可以防紫外线,这是因为它有粘结分子(DOPA),可以吸附有害的紫外线。

由于它的各种特性,蜘蛛丝被广泛应用于医疗、军事、航空航天等领域。

在医疗领域,蜘蛛丝可以被用作缝合线,因为它无毒、不会被人体排斥、且具有出色的韧性和柔性。

在军事领域,它可以用来制造防弹衣或其他护具,因为它能抵御子弹或炸弹碎片的高速穿透。

在航空航天领域,蜘蛛丝可以被用作航天器的材料,因为它的轻盈、强韧、柔性、透气性等特性都非常符合要求。

总而言之,蜘蛛丝作为天然纳米纤维的典范,具有非常多的优良特性,这些特性使得蜘蛛丝具有广泛的用途和应用价值。

同时,我们也可以从蜘蛛丝的结构和组成中得到很多启示,在设计和改良人造材料方面提供有益的借鉴。

静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用

静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用

静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用一、本文概述本文旨在全面探讨静电纺丝法制备聚合物纳米纤维的过程以及其在各个领域的应用。

静电纺丝法,作为一种高效的纳米纤维制备技术,近年来在材料科学领域引起了广泛关注。

通过静电纺丝法制备的聚合物纳米纤维,因其独特的结构和性能,如高比表面积、良好的力学性能以及优异的物理化学稳定性等,被广泛应用于过滤材料、生物医用、能源存储和转换、环境保护等多个领域。

本文将首先介绍静电纺丝法的基本原理和制备过程,包括纺丝溶液的配制、纺丝参数的选择以及纺丝过程的调控等。

随后,将重点分析静电纺丝法制备的聚合物纳米纤维的结构和性能特点,包括纤维的形貌、直径分布、结晶行为、热稳定性以及机械性能等。

在此基础上,本文将综述聚合物纳米纤维在过滤材料、生物医用、能源存储和转换、环境保护等领域的应用现状和发展趋势。

本文还将讨论静电纺丝法制备聚合物纳米纤维所面临的挑战和未来的发展方向,以期为该领域的研究者提供有益的参考和启示。

二、静电纺丝法制备聚合物纳米纤维静电纺丝法是一种制备聚合物纳米纤维的重要技术,其基本原理是利用静电场力使聚合物溶液或熔体产生喷射细化,进而形成纳米纤维。

该方法具有操作简单、纤维直径可控、生产效率高等优点,因此在纳米材料、生物医学、过滤材料等领域得到了广泛应用。

在静电纺丝过程中,首先将聚合物溶解在适当的溶剂中,形成具有一定粘度的纺丝溶液。

然后,将纺丝溶液注入纺丝机的喷丝头中,通过调节喷丝头的电压和喷丝速度与接收距离等参数,使纺丝溶液在静电场力的作用下形成泰勒锥,并从锥尖喷射出细流。

在喷射过程中,细流受到电场力的作用而加速运动,同时溶剂挥发,使细流逐渐固化并形成纳米纤维。

将纳米纤维收集在接收装置上,得到聚合物纳米纤维膜或纤维毡。

为了获得高质量的聚合物纳米纤维,需要对静电纺丝过程进行精确控制。

一方面,需要选择合适的聚合物和溶剂,以及调整纺丝溶液的粘度和电导率等参数,以确保纺丝过程的稳定性和纤维的均匀性。

纳米科技导论论文

纳米科技导论论文

纳米纤维——蜘蛛丝陈沁3120102850 医药1202摘要:蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料,迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。

自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。

如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。

关键词:蜘蛛丝,生物材料,纳米纤维,应用蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。

对于普通人而言,蜘蛛网并不是什么了不起的东西,用扫帚轻轻一拂,蛛网就被扫掉了。

但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。

自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。

如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。

除了用于捕捉飞虫外,几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。

蜘蛛的腹部通常有几种腺体,被称为吐丝器。

各种腺体产生不同类型蛛丝,腺体顶端有喷丝头,其上有数千只小孔,喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。

通常,1000根蛛丝合并后比人的头发丝还要细1/10。

蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝,它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力也很强。

无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能,是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。

首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大。

其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强。

无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。

蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能。

由于蜘蛛丝是由蛋白质构成,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种人造纤维上就目前来说几乎是不可能的。

蜘蛛丝是从蜘蛛的分泌出来,蜘蛛的腹腔里有许多丝浆,它的尾端有很小的孔眼。

结网的时候,蜘蛛便将这些丝浆喷出去。

丝浆一遇到空气,就凝结,且富有粘性和惊人的强度。

每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍,弹性也比人造纤维好得多。

比如,蜘蛛网可以延伸到原长的10倍,而尼龙一旦延展到原长的20%就会发生断裂无论什么飞虫,一撞到网上就别想再跑掉。

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类文阅读-7 纳米技术就在我们身边人丁兴旺的纳米家族施鹤群纳米材料虽然是材料世界的“小不点”,但它却是现代材料世界里的重要一员。

纳米材料是一个大家族,成员众多,有各种各样的类型。

按照材质,可分为金属纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料等;按照用途,可分为功能納米材料和结构纳米材料;按照特殊性能,又可分为纳米润滑剂、纳米光电材料、纳米半透膜等;按材质形态,则可分为纳米粉末,纳米纤维,纳米膜、纳米块体等.纳米粉末又称超微粉、超细粉,指粒度在10nm以下的粉末或颗粒,它被开发时间最长,技术最为成熟,是生产其他纳米材料的基础。

另外,它被应用领域也最广,在催化,粉末冶金,燃料、磁记录,涂料、传热,雷达波隐形、光吸收,光电转换,气敏传感等方面有巨大的应用前景。

随着纳米材料研究的不断深入,纳米材料家族的成员将会更多,纳米材料家会更加人丁兴旺。

(选自《纳米生活》华东理工大学出版社)1.写出文中词语的近义词重要---()众多---()研究---()领域---()2.第一段描述了纳米材料的特点是:和。

3.根据文章内容判断对错。

对的打“√”,错的打“×”。

(1)按照用途,可分为纳米润滑剂、纳米光电材料。

()(2)纳米粉末是纳米材料的种类之一。

()(3)纳米粉末比纳米膜应用的领域广。

()(4)第二自然段介绍了纳米材料的分类。

()4.人丁兴旺的意思是:。

用它造个句子:5.为什么说纳米材料是人丁兴旺的大家族?【参考答案】1.重大繁多探究范围2. 小重要3.×√√√。

4.通常指某一家里成员众多。

这个大家庭五世同堂,人丁兴旺。

5.纳米材料成员众多,有各种各样的类型,而且随着纳米材料研究的不断深入,纳米材料家族的成员将会更多。

天然纳米纤维的典范——蜘蛛丝吴沅蜘蛛丝是大自然几亿年进化创造的奇迹,是目前世界上最为坚韧且具有弹性的纤维之一,其性能可媲(bǐ pì)美防弹纤维。

早在18世纪就出现了人类利用蜘蛛丝的记载(ǎi ài)。

静电纺丝制备超细纳米纤维材料及其应用研究

静电纺丝制备超细纳米纤维材料及其应用研究

静电纺丝制备超细纳米纤维材料及其应用研究近年来,随着科技的不断发展,越来越多的研究人员开始关注纳米材料的研究与应用。

其中一种应用非常广泛的纳米材料就是超细纳米纤维材料。

超细纳米纤维材料具有高比表面积、高缺陷密度、高晶线密度等特性,因而在多个领域都有着广泛的应用。

静电纺丝是目前制备超细纳米纤维材料最常用的一种方法之一。

静电纺丝是通过将高分子溶液喷出到高电场强度作用下,使溶液中的高分子成为纳米纤维并沉积在基板上的过程。

静电纺丝具有操作简单、制备效率高等优点,并且对于制备超细纳米纤维材料来说也有非常大的优势。

利用静电纺丝制备的超细纳米纤维材料,具有纤维直径小、分布均匀、表面积大等特性。

因此,静电纺丝制备的超细纳米纤维材料被广泛应用于生物、医学、能源等领域。

生物领域是超细纳米纤维材料应用最广泛的领域之一。

超细纳米纤维材料可以作为生物传感器和组织工程的可支撑材料。

在生物传感器方面,超细纳米纤维材料可以通过合理设计,使纳米纤维表面具有高度特异性的分子识别能力。

而作为组织工程的可支撑材料,超细纳米纤维材料对于生物可透性强,并且能够提供足够的生长空间和细胞内信号传递的支持。

医学领域是超细纳米纤维材料的另一个重要应用领域。

超细纳米纤维材料可以用于药物递送,具有控制释放、增强化疗效果、减少药物剂量等好处。

此外,超细纳米纤维材料还可以用于制备人工血管、人工皮肤等医学器械。

能源领域是超细纳米纤维材料另一个非常重要的应用领域。

超细纳米纤维材料作为电极材料可以用于超级电容器、锂离子电池等多种电池类型中。

因为超细纳米纤维材料具有高比表面积、高导电性、高可再生性、高力学强度等优点,这些优点使得超细纳米纤维材料在能源领域的应用越来越被人们所关注。

总之,静电纺丝制备的超细纳米纤维材料在生物、医学和能源领域都有着非常广泛的应用。

未来,随着静电纺丝技术的不断完善,超细纳米纤维材料的制备和应用也将变得更加广泛和深入。

同时,在利用超细纳米纤维材料时,我们也需要更加关注相关安全问题,确保其应用的安全性和可靠性。

纳米静电纺丝纤维

纳米静电纺丝纤维

纳米静电纺丝纤维纳米静电纺丝纤维是一种具有广泛应用前景的新型材料。

它以其特殊的纳米级纤维结构和良好的性能,在多个领域展示出了巨大的潜力。

本文将对纳米静电纺丝纤维的制备方法、特性及其应用领域进行详细介绍。

一、纳米静电纺丝纤维的制备方法1. 静电纺丝技术静电纺丝是一种将高分子溶液通过电场作用形成纳米级纤维的技术。

基本原理是通过对高分子溶液施加电场,使溶液中的高分子链在电场作用下伸长并形成纤维。

静电纺丝技术具有设备简单、操作方便、成本低廉等优点。

2. 纳米级纤维的控制纳米静电纺丝纤维的制备过程中,能够控制纤维直径和形状对于材料的性能具有重要影响。

通过调节高分子溶液的浓度、流速、电场强度等参数,可以控制纳米级纤维的直径和形状。

同时,添加一些助剂或掺杂物也能够对纤维的形态和性能进行调控。

二、纳米静电纺丝纤维的特性1. 超细纳米级纤维纳米静电纺丝纤维的直径一般在10纳米至1000纳米之间,与传统纺丝纤维相比,直径更小,表面积更大,具有更好的柔韧性和延展性。

2. 高比表面积由于纳米静电纺丝纤维具有超细直径,因此具有更大的比表面积。

这使得纳米静电纺丝纤维具有更高的吸附性能,可用于吸附污染物、制备高效催化剂等。

3. 高强度和耐热性纳米静电纺丝纤维由高分子链纳米级纤维构成,因此具有较高的强度和耐热性。

这使得纳米静电纺丝纤维具有良好的机械性能和高温稳定性,适用于纳米传感器、纳米滤料等领域的应用。

4. 多功能性由于纳米静电纺丝纤维的制备过程中可以控制其形状、直径和组成,因此可以通过注入不同的功能分子、纳米颗粒等使其具有多种功能,如表面增强拉曼散射效应、生物相容性等。

三、纳米静电纺丝纤维的应用领域1. 纳米过滤材料纳米静电纺丝纤维由于其超细直径和高比表面积,在过滤材料领域具有广泛的应用前景。

它可以作为高效的颗粒捕集器和污染物吸附剂,用于空气净化、水处理等方面。

2. 纳米传感器纳米静电纺丝纤维可以用于制备高灵敏度的纳米传感器,用于检测环境中的有害气体、重金属离子等。

超级防弹衣材料有了,我国研制成功超强韧人造蜘蛛丝

超级防弹衣材料有了,我国研制成功超强韧人造蜘蛛丝

超级防弹衣材料有了,我国研制成功超强韧人造蜘蛛丝
在自然界里,蜘蛛丝是一种神奇的材料,它不仅强度高而且韧性好,碰到猎物可以拉长数倍而不断裂,而且还能回弹到原来的长度。

因此有很多科学家梦想利用这一材料用来做防弹衣,可以刀枪不入。

如今这一梦想已经变为现实。

近日,我国科学家研制成功了超强韧人造蜘蛛丝。

南开大学刘遵峰教授团队在国际学术期刊《自然·通讯》杂志上发表论文,介绍了这一科研成果。

研制成功的人造蜘蛛丝抗拉强度高达895MPa,其抗拉强度已经达到高强度结构钢的水平,与天然蜘蛛丝相当。

还具有370 MJ m−3的高韧性和超高阻尼能力。

不但强度高,而且回弹慢,可以重复伸缩,迅速吸收冲击能量。

这种具备超强韧性能的人造蜘蛛丝具备巨大的军事应用潜力,可
以用作防弹材料,广泛应用于人体和装甲防护领域。

还可以用来做伞兵的降落伞伞绳、直升机机降绳、机降悬梯、攀登滑降绳等等。

民用领域也可以用来做登山绳、高层建筑逃生绳等等。

之前也有很多科学家也尝试过研制人造蜘蛛丝,已经通过蛋白纤维、超分子水凝胶纤维、碳纳米管复合纤维等各种方式成功地复制或是部分复制蜘蛛丝的机械性能。

但是其主要的技术路线都是基于蛋白质的,无法规模化生产。

此次刘遵峰团队另辟蹊径,采用聚丙烯酸和二氧化硅纳米颗粒交联制出有层级结构的水凝胶纤维,并通过掺杂二价离子和加捻来增强其强度,最后通过控制纤维芯和纤维鞘部分的水分蒸发速率完成材料的自组装。

这一技术路径不是基于蛋白质工程的,完全是化工合成,具备了大规模工业化生产的潜力。

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Production Nozzle-Less Electrospinning Nanofiber TechnologyStanislav Petrik and Miroslav MalyElmarco s.r.o.V Horkach 76/18, CZ-46007 Liberec, Czech RepublicABSTRACTThe theoretical background and technical capabilities of the free liquid surface (nozzle-less) electrospinnig process is described. The process is the basis of both laboratory and industrial production machines known as Nanospider TM and developed by Elmarco s.r.o. Technical capabilities of the machines (productivity, nanofiber layer metrics, and quality) are described in detail.Comparison with competing/complementary technologies is given, e.g. nozzle electrospinning, nano-meltblown, and islets-in-the sea. Application fields for nanofiber materials produced by various methods are discussed. Consistency of the technology performance and production capabilities are demonstrated using an example of polyamide nanofiber air filter media.INTRODUCTIONElectrospinning methods for creating nanofibers from polymer solutions have been known for decades [1, 2]. The nozzle-less (free liquid surface) technology opened new economically viable possibilities to produce nanofiber layers in a mass industrial scale, and was developed in the past decade [3]. Hundreds of laboratories are currently active in the research of electrospinning process, nanofiber materials, and their applications. Nanofiber nonwoven-structured layers are ideal for creating novel composite materials by combining them with usual nonwovens. The most developed application of this kind of materials is air filtration [4]. liquid filters and separators are being developed intensively with very encouraging results. Also well known are several bio-medical applications utilizing nanofiber materials, often from biocompatible/degradable polymers like PLA, gelatine, collagen, chitosan. These developing applications include wound care, skin-, vessel-, bone- scaffolds, drug delivery systems and many others. [3, 5]. Inorganic/ceramic nanofibers attract growing interest as materials for energy generation and storage (solar and fuel cells, batteries), and catalytic materials [6-10].To fully explore the extraordinary number of application opportunities of nanofibers, the availability of reliable industrial-level production technology is essential. This paper intends to demonstrate that the technology has matured to this stage.THEORETICAL BACKGROUNDThe electrospinning process is an interesting and well-characterized physical phenomenon and has been an attractive subject for theoretical investigations of several groups [9, 11-17, 1, 2]. Most work concentrates on the essentials of the process – the nanofiber formation from a liquid polymer jet in a (longitudinal) electric field. It has been theoretically described and experimentally proven that the dominant mechanism is whipping elongation occurring due to bending instability [13, 16, 17]. Secondary splitting of the liquid polymer streams can occur also [1], but the final thinning process is elongation.In Figure 1, the schematic of bending mechanism derived from physical model (a) is compared with a stroboscopic snapshot (b) [18].a bFigure 1. The path of an electrospinning jet (a – schematic, b – stroboscopic photograph).(Courtesy of Darrell Reneker, University of Akron)A comprehensive analysis (electrohydrodynamic model) of the fiber formation mechanisms published by Hohman et al. [16, 17] describes the regions of individual kinds of instability observed during the process. It has predicted and experimentally proven that there is a domain of the process variables where bending instability dominates, as illustrated in Figure 2.Figure 2. Operating diagram for a PEO jet. The upper shaded region shows the onset of the whipping instability, the lower one shows the onset of the varicose instability [17].The efforts to scale up the electrospinning technology to an industrial production level used to be based on multiplication of the jets using multi-nozzle constructions [1]. However, the number of jets needed to reach economically acceptable productivity is very high, typically thousands. This brings into play many challenging task, generally related to reliability, quality consistency, and machine maintenance (especially cleaning). The nozzle-less electrospinning solves most of these problems due to its mechanical simplicity, however, the process itself is more complex because of its spontaneous multi-jet nature. The Lukas’ et al. [19] study focused on the process of multi-jet generation from a free liquid surface in an electric field. They showedthat the process can be analyzed using Euler’s equations for liquid surface waves(1)where Φ is the scalar velocity potential, p is the hydrostatic pressure, and ρ is the liquid density.They derived the dispersion law for the waves in the form(2)where E0 is electric field strength, γ– surface tension.The relationship between angular frequency ω and wave number k is in Figure 3, electric field is the parameter. When a critical electric field intensity is reached (E c, curve 1), ω2 is turned to be negative, ω is then a purely imaginary value, and hence, the amplitude of the liquid surfacewave(3) exponentially grows, which leads to an instability.Figure 3. Relationship between the square of the angular frequency and the wave number for distilled water, electric field is the parameter 1: E=E c=2.461 945094x106 V/m, 2: E=2.4x106 V/m, and 3: E=2.5x106 V/m [19]Critical field strength can then be expressed(4)From this equation, they derived the expression for the critical spatial period (…wavelength“) –the average distance between individual jets emerging from the liquid surface (Figure 4).(5)and(6)a is the capillary length(7)a bFigure 4. Free liquid surface electrospinning of Polyvinyalcohol at 32 kV (a) and 43 kV (b)(Courtesy of David Lukas, Technical University of Liberec) TECHNICAL REALIZATION AND DISCUSSIONDescription of the nozzle-less technologyThe simplest realization of the nozzle-less electrospinning head is in Figure 5. A rotating drum is dipped into a bath of liquid polymer. The thin layer of polymer is carried on the drum surface and exposed to a high voltage electric field. If the voltage exceeds the critical value (4), a number of electrospinning jets are generated. The jets are distributed over the electrode surface with periodicity given by equation (6). This is one of the main advantages of nozzle-less electrospinning: the number and location of the jets is set up naturally in their optimal positions. In the case of multi-needle spinning heads, the jet distribution is made artificially. The mismatch between “natural” jet distribution and the real mechanical structure leads to instabilities in the process, and to the production of nanofiber layers which are not homogenous.Several types of rotating electrodes for free liquid surface electrospinning for industrial machines have been developed (Figure 5b). However, the drum type is still one of the most productive.a bFigure 5. Free liquid surface electrospinning from a rotating electrode (a) and various types of spinning electrodes (b)Table 1. Comparison of Nozzle vs. Nozzle-Less Electrospinning Production variable Nozzle Nozzle-Less Mechanism Needle forces polymer downwards. Drips and issues deposited in web.Polymer is held in bath, evendistribution is maintained on electrodevia rotation.Hydrostatic pressure Production variable – required to be kept level across all needles in process.None.Voltage 5 – 20 kV 30 – 120 kV Taylor cone separation Defined mechanically by needle distances.Nature self-optimizes distance between Taylor cones (Eq. (6)).Polymer concentration Often 10% of solution.Often 20% or more of solution.Fiber diameters80, 100, 150, 200, 250 and higher. Standard deviation likely to vary over fiber length.80, 100, 150, 200, 250 and higher. Standard deviation of +/- 30%.Table 2. Nanofiber Production MethodsExtrusion ElectrospinningSub-type Fine holeIslets-in-the-seaNozzleNozzle-LessDescriptionFine fiber meltblown process, melted polymer is forced through small holes Polymer blends are extruded through thicker holes, then separated afterwards, oftenhydro-entangledSolvent polymers are forced through a needle and formed through an electrostatic field Electrostatic field is used to form fibers but is formed without needles using higher voltage on roller-electrodes Voltage n/a n/a 5 – 20 kV 30 – 120 kV Fiber size (nm)800 –2,500s = +/- 200%800 – 2,500s = +/- 200%?? – 500s = Varies 80 – 500s = +/- 30%Hydrostatic pressure Yes Yes Yes No Production ready?YesYesNoYesResearch and development centers are very active in their efforts to further improve productivity of the manufacturing process. Novel methods for the production of sub-micron fibers are being developed. The most advanced methods (“Fine Hole” meltblown and “Islets-in-the-sea”) are compared with the two current electrospinning approaches in Table 2. The individual methods can be considered to be complementary rather than competing. This is especially true with respect to the fiber diameter distribution and fiber layer uniformity. Individual methods will likely find different areas of application. More productive Nano-meltblown and Islets-in-the-sea technologies compromise fiber diameter and homogeneity and will likely be used in production cost sensitive applications like hygiene nonwovens, while high quality electrospun technologies will be used in products where their high added value and need for low amounts of the material can be easily implemented (air and liquid filtration, biomedicine).The nozzle-less principle using rotating electrodes has been developed into a commercially available industrial scale. A photograph of a modular Nanospider TM machine is in Figure 6.Figure 6. Nozzle-less production electrospinning line (Nanospider TM)Performance of the technologyIn addition to productivity (or throughput) of the production line, individual industrial applications require certain production consistency. We will illustrate the nozzle-less electrospinning technology performance with the example of air filtration media composed of a regular cellulose substrate and a thin nanofiber layer made from Polyamide 6. The product can be characterized by a number of parameters, like fiber diameter distribution (mean value and its standard deviation), basis weight of the nanofiber layer, etc. For the particular application, functional product parameters are more important. Typical values are the initial gravimetric filtration efficiency (IGE), differential filtration efficiency, and pressure drop, measured according to the norms widely accepted within industry.The correlation between nanofiber diameter and basis weight of the nanofiber layer with differential filtration efficiency is illustrated in Figure 7. To obtain various basis weights, substrate speed was varied from 0.2 m/min to 4 m/min for each series of samples. Polymer solution parameters (concentration, etc.) together with electric field intensity determine the range of nanofiber diameter. Nanofiber diameter distribution has been measured using a scanning electron microscope (SEM). Basis weight values were obtained either by using an analytical scale Mettler (higher values), or by extrapolation from its known dependence on substrate velocity (lower ones).Figure 7. Filtration efficiency of nanofiber media samplesTable 3. Properties of nanofiber filtration media samples shown in Figure 7Pressure drop for various coatings at 32 ft/min face velocity (equivalent to 490 ft/min based on pleated filter)Substrate BaD (g/m 2)(nm)at 0.35 micron particle size(%)D vs. uncoated substrate(mm of H 20)CelluloseNo Cellulose 0.0Cellulose 0.0Cellulose 0.1Cellulose 0.0Cellulose 0.0Cellulose0.1Pressure drop and initial gravimetric filtration efficiency have been chosen asrepresentative product parameters. They were measured using NaCl aerosol at the following settings: air flow speed: 5 m/min, sample area 100 cm 2, flow rate 50 l/min.In Figure 8, results of long-term stability and reproducibility of the IGE are presented. Itcan be seen that the individual runs differ within the standard deviation of the process, and the mean value of the filtration efficiency does not exhibit any significant shift after 16 hours of machine run.Similar consistency is shown in the value of the basis weight of the nanofiber layer, shown in Figure 9.Stability of IGE (8 long-term tests)0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0100,000:0002:2404:4807:1209:3612:0014:2416:48Process TimeI G E (%)Figure 8. Stability of initial gravimetric filtration efficiency of the media produced at the industrial nozzle-less electrospinning equipmentFigure 9. Consistency of nanofiber layer basis weight produced with industrial nozzle-less electrospinning equipmentThe third important parameter of the filtration media is its homogeneity across the widthof the roll. The data for the 1.6 meter wide roll produced with the machine in Figure 6 are shown in the graph in Figure 10. Pressure drop was measured in 10 evenly distributed points at a crosssection of the substrate belt.Transversal homogenity2040608010012014016018020012345678910left side .......... right sided P (P a )Figure 10. Transversal homogeneity of the filtration media (1.6 m width, dP = pressure drop)Production capacity of the industrial electrospinning line for Polyamide 6 is illustrated in Figure 11.Figure 11. Production capacity of the nozzle-less electrospinning line with Polyamide 6 CONCLUSIONHigh-quality low-cost production of nanofiber layers is essential to support the enormous amount of research results being obtained at many universities and research centers. The described nozzle-less electrospinning technology has matured to a level where large scale production use is common, and can be modified for practically all known polymers soluble in organic solvents and water, as well as for polymer melts. This opens commercial opportunities for hundreds of ideas developed in the academic sphere.REFERENCES1.V. Kirichenko,Y. Filatov, A. Budyka, Electrospinning of Micro- and Nanofibers:Fundamentals in Separation and Filtration Processes, Begell House, USA (2007)2.S. Ramakrishna, K. Fujihara, W. Teo, T. Lim, and Z. Ma, An Introduction toElectrospinning and Nanofibers, World Scientific, Singapore (2005)3.Jirsak, O., Sanetrnik, F., Lukas, D., Kotek, V., Martinova, L., Chaloupek, J., “A methodof nanofibers production from a polymer solution using electrostatic spinning and adevice for carrying out the metod“, The Patent Cooperation Treaty WO 2005/024101,(2005)4.T. Jaroszczyk, S. Petrik, K. Donahue, “The Role of Nanofiber Filter Mediain Motor Vehicle Air Filtration”, 4th Biennial Conference on Emissions Solutions inTransportation, AFS, Ann Arbor, MI, Oct 5-8 (2009)5.Proceedings of …Nanofibers for the 3rd Millenium – Nano for Life“ Conference, Prague,March 11-12 (2009)6.L. Kavan, M. Grätzel, Electrochem. Solid-State Lett.,5, A39, (2002)7.J. Duchoslav, L. Rubacek, Electrospun TiO2 Fibers as a Material for Dye SensitiziedSolar Cells, In: Proc. of NSTI Nanotech Conference, Boston, MA, June 1-5 (2008)8.L. Rubacek, J. Duchoslav, Electrospun Nanofiber Layers for Applications inElectrochemical Devices, In: Proc. of NSTI Nanotech Conference, Boston, MA, June 1-5 (2008)9.M. Bognitzki, W. Czado, T. Frese, A. Schaper, M. Hellwig, M. Steinhard, A. Greiner andJ. H. Wendorff, Adv. Mater.13, 70 (2001)10.H. Guan, C. Shao, S. Wen, B. Chen, J. Gong, X. Yang, Inorg. Chem. Commun. 6, 1302(2003)11.G. F. Taylor and M. D. Van Dyke, Proc. R. Soc. London, Ser. A313, 453 (1969)12.J. Doshi and D. H. Reneker, ‘‘Electrospinning process and applications of electrospunfibers,’’ J. Electrost. 35, 151 (1995)13.C.J. Thompson, G.G. Chase, A.L. Yarin and D.H. Reneker, …Effects of parameters onnanofiber diameter determined from electrospinning model“, Polymer,48, 6913 (2007).14.Y. M. Shin, M. M. 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