静电纺丝文献综述

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北京化工大学

毕业设计开题报告

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学院：材料科学与工程学院专业：

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静电纺丝文献综述

摘要：静电纺丝技术自从2000年以后进入快速发展期，论文和专利都成指数型增长。目前，研究的现状从这些研究的内容看，研究主要围绕静电纺丝的应用、工业化、原理三个方面。同时，在医用材料领域，静电纺丝也逐步展开了研究。

关键词：静电纺丝，研究现状，医用材料

Abstract:Electrospinning develops rapidly that papers and patents increase exponentially since 2000. The research status focus on applications, industrialization and principle. Meanwhile, electrospinning research on biomaterials is springing up.

Key words: electrospinning, research status, biomaterials application

1 静电纺丝发展

目前常用的制备纤维的方法有拉伸法、模板法、相分离法和静电纺丝法。其中，静电纺丝法制备纤维因其操作简单、适用较广和成本低而广泛被使用在纺丝领域。静电纺丝是A.Formhals在1934年发明[1]。在1938年至1944年期间，随着A.Formhals 对静电纺丝技术的进一步改进和对静电纺丝原理的探究[2-7]，静电纺丝技术得到了进一步的发展。1969年，Taylor发现了Taylor锥[8]，对静电纺丝的原理进行了进一步的丰富。1971年，杜邦公司利用静电纺丝制备了PAN亚纳米纤维。1981年，美国Ethicon 公司研究了静电纺丝技术在医学领域的应用[9]。在20世纪90年代后，静电纺丝技术在世界范围内得到了快速发展，文献和专利技术迅速增加。在2001年，国内有关静电纺丝技术的专利出现，东华大学、北京化工大学、浙江大学等高校成了国内静电纺丝研究的中心。在2006年，全球第一条静电纺丝制备纳米纤维的生产线投入市场，标志着静电纺丝技术实现了工业生产化。

2 静电纺丝原理

静电纺丝所需要的实验装置静电纺丝机。静电纺丝机一般包括高压电源、喷丝装置和收集装置。喷丝装置到收集装置的距离一般为15-25cm，电压为0-50kV。纺丝液体从喷丝装置流出，在高压电压作用下客服喷丝液自身的表面张力和粘弹力而形成射流。随着溶剂的挥发和熔体的凝固，射流最终在接收装置上形成纤维。

在当代，学者对静电纺丝原理进行了进一步研究和探讨[10]，其研究主要集中在泰勒锥和纳米纤维的弯曲非稳定性两个方面。另外，同轴静电纺丝和纺织核壳结构纳米纤维的原理的研究也在悄然兴起。

3 影响因素

静电纺丝的影响因素主要有以下三个因素：溶液性质，控制变量，外界条件。溶液性质包括溶质性质，溶剂性质，溶剂浓度，溶液导电率和PH值，溶液表面张力等；控制变量包括电场强度，接收距离，推进速度，针头内径等；外界条件包括空气湿度和温度。

对于同一种聚合物溶液，随着分子量的增加分子链的长度增加，从而分子量的粘弹性、流变性、表面力学性能改变，纤维性能改变[11]。同理，聚合物的浓度[12]、溶剂[13]等改变，纤维性能改变。随着外加电压的减小，溶液表面的静电斥力减小，纤维表面越光滑[14]；同样，接受距离增加、流速减小，更有利于纤维的纺织。空气湿度、温度对静电纺丝也有一定的影响：Ramsay-shields推导出了相关公式

γ*v^（2/3）=K*(Tc-T-6)

其中γ为表面张力，V为液体摩尔体积，K为普适常数，Tc为临界温度[15]。

4 研究进展

4.1 在应用方面

静电纺丝制备纳米纤维在2006年实现工业化以后，目前已经开始用于各个方面。如生物材料，组织支架，污水处理等等方面。在医学材料方面，静电纺丝制备的纤维膜可以用于体外创伤护理的敷料、皮肤再生的医用敷料和具有定向药物释放功能的医用辅料[26]。污水处理等常用的超滤膜有聚丙烯晴（PAN）超滤膜、聚砜类（PS）超滤膜、醋酸纤维素（CA）超滤膜等。超滤膜可以通过机械的吸附等物理作用可以是溶

剂和溶质选择性的通过，从而起到过滤筛选的作用。

4.2 在工业化方面

自从2006年全球第一个静电纺丝制备纳米纤维的生产线建立之后，标志着静电纺丝进入工业化阶段。目前，在工业方面研究的热点主要有多针头喷丝工艺的设计、无针头静电纺丝、多孔平板型喷头设计、多孔陶瓷管喷头设计等。在目前纳米纤维急切需求的市场情况下，高性能、低成本的静电纺丝工艺将是这方面研究的重点和热点。

4.3在技术原理方面

溶液性质、控制条件和外界环境对纺丝效果影响较大，通过对溶液、控制条件和外界条件的调控来控制静电纺丝，从而改善纤维的性能是静电纺丝技术的一个新的研究热点。

5 HA和PEO性质

5.1 透明质酸

透明质酸（HA , Hyaluronic acid）又称玻璃酸，玻尿酸。透明质酸是一种无毒的白色的无定型态的粉末状固体，如图1（a）。这种固体无臭无味，具有极强的吸湿性，可溶于水，但是不能溶于有机溶剂。透明质酸的水溶液具有很高粘弹性和可塑性，易于制成纳米纤维。由透明质酸制成的生物膜具有很好的渗透性，改性后可用作渗透膜。由于人体和生物体内含有大量的透明质酸，并且主要分布在结蹄组织和细胞外基质中，所以透明质酸具有良好的生物相容性。透明质酸极易降解，在酸碱、高温、射线、金属条件下都可降解。由于透明质酸的独特性之，它还被用着乳化剂、增稠剂和润滑剂等。

透明质酸是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸通过β-1,4和β-1,3糖苷键反复交替连接形成的线性酸性粘多糖。这种粘多糖的结构单元属于葡萄糖的衍生物，其结构式如图1（b）。透明质酸的分子量一般小于400万，当分子量高达300万后就因无可纺窗口而不具有可纺性了，失去了低分子量的透明质酸的可纺性。