静电纺丝

静电纺丝原理及研究进展

摘要纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,越来越引起人们的关注。简述了国内外静电纺丝的研究现状;介绍了静电纺丝的制备原理、静电纺丝装置的改进、影响纤维成形的主要工艺参数及纤维形态;叙述了静电纺丝纳米纤维在过滤材料、生物医学和传感器等方面的应用;展望了静电纺丝的发展方向。

关键词：静电纺丝；发展；原理；应用

1 国内外研究现状

美国的有关静电纺丝的文献占了全世界的一半以上,总体看来国外的静电纺丝技术较国内的系统和完善。国外对静电纺丝的研究主要集中在以下几个方面:

(1)研究多种合成聚合物和天然聚合物的静电纺丝工艺,分析影响纺丝的因素及其纤维表征。

(2)研究电压、喷丝口与接收屏之间的距离、纺丝液的浓度和流量等静电纺丝工艺参数对静电纺纤维的直径及表面形态的影响,分析纺丝工艺的规律,以建立各工艺参数关系的理论模型。

(3)静电纺丝所得制品在生物领域中的应用研究

(4)静电纺丝装置和方法上的创新,是近来静电纺丝研究中的一个热点。与国外相比，国内的研究大约从2002年开始，东华大学研究了静电纺丝的工艺参数对聚丙烯腈纤维直径的影响[8]，同济大学进行了导电聚合物纳米纤维静电纺丝工艺的研究[9]，北京化工大学用静电纺丝法制得聚乳酸纳米纤维无纺毡[10],中国科学院用静电纺丝法制得了纳米级聚丙烯腈纤维毡[11]。总之国内的静电纺丝起步较晚,对静电纺丝的研究主要是通过选择适当的聚合物溶液纺制纳米级纤维,目前还着重于工艺参数对纤维形貌和直径的影响及其纤维形貌的分析。

2 静电纺丝基本原理及装置

2.1 静电纺丝基本原理

一般的静电纺丝装置包括高压电源、溶液储存、喷射和接收装置,相对应可以分为5个过程:流体带电、泰勒锥的形成、射流的细化、射流的不稳定和纤维的接收[12]。其中最重要的是泰勒锥的形成。溶液处于储液管中,有外加电极时会在

电场作用下形成液滴,没有外加电极作用时,由于重力作用,在溶液与管壁的粘附力、本身的粘度和表面张力的作用下形成悬挂在管口的液滴,在电场力的作用下液滴表面布满了电荷,电荷之间的库仑斥力与液滴表面张力相反,当电场强度增大时,液滴表面的电荷密度增大,库仑斥力大于表面张力,液滴曲率发生变化被拉长成锥形,锥角为49. 3b,这一带电液体称为泰勒锥。泰勒锥会随电压的增大发生喷射,喷射流在电场的作用下分裂,随着溶剂的挥发,射流固化,最后纳米纤维收集于接收装置。2.2 静电纺丝装置及改进

静电纺丝装置一般由三部分组成：喷丝装置、接收装置和高压电源，如图1.29。近些年来，科学家们已经不满足于对简单纤维的制备，为了得到一些特殊的形貌和性质的纤维，人们对纺丝装置进行了不同程度修饰和改进。

基于对中空管纤维和核壳纤维的探索，人们设计了同轴电纺丝装置[149-151,158-161]。Li等人[160]设计了同轴喷头装置并成功地制备了管式结构的TiO2纤维(图1.30a)，他们研究发现，内外层材料的相容性会影响这种管式结构的形成，如果内外层材料相容性较好，那么是不容易制造管式纤维或者核壳纤维的。Muthiah等[149]利用同轴电纺丝技术制备了

具有核-壳结构的聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯的

超疏水纤维膜(图1.30b)，他们给出了同轴电纺丝装置的实物图。Chen等人[150]对同轴电纺丝进一步改进，以多喷头的同轴纺丝装置得到了纳米线在微米管中的核壳纤维(图1.30c)。

上喷射出来，通过这种装置纺出的纤维较细，并且直径分布也很窄。但是，通过这些无针喷头电纺丝装置不能制备含多种形貌和性质的纤维膜。

为了得到多功能的纤维膜，人们成功地开发了多喷头的电纺丝装置[89,169-172]。例如，Sun 等人[169]用多喷头电纺丝装置制备PS/PAN

复合纤维膜，这种纤维膜不但具有超疏水性，还提供了机械稳定性(图1.32a)。Kim 等人[170]在五个纺丝喷头的周围加上了金属圆环，发现金属圆环产生的电场能使纺丝射流的运动较为稳定，如图1.32b。Varesano 等人[171]讨论了使用2-16 个针头纺丝的情况，研究发现，添加次电极有利于减少针头间的扩张角。这说明纺丝喷头中的原液带有相同的电荷，喷头之间存在着强烈的排斥作用，只有两边的喷头形成纤维。为了克服这个缺点我们小组[172]将喷头置于辊筒两侧，中间用绝缘板相隔，使两个喷头与接收器分别形成两个独立的电场，使两个喷头的喷射过程不会互相干扰，这种装置可以使两种纤维很好的混合叠加在一起，如图 1.32c 所示。

Figure 1.30 Schematics of coaxial electrospinning device and the fibers produced by them.

processes. (d) Schematics of spiral coil electrospinning setup. (e) Photograph of the spiral coil spinneret and electrospinning process.

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电纺丝方法虽然能通过很多聚合物制造出人们需要的不同形貌的纤维，但是由于其喷速较慢，导致产量较低，从而极大地限制了其在工业生产上的应用。为了弥补这个缺点，人们也做了很多的设计。近几年，人们设计了无针喷头电纺丝装置来增加纺丝纤维的产量[162-168]。

Niu等人[164]以聚乙烯醇(PVA)作为纺丝液比较了旋转圆筒、圆盘和球做为喷头纺出纤维的效果，如图1.31a, b和c。在电纺丝过程中，他们将高压电源线插到纺丝液槽中，当电场力大到一定程度时，在这些喷头的表面喷出大量的丝，最后沉积在接收器上。结果显示，三种喷头均能达到大量生产的目的，相比于圆筒和球形喷头，通过圆盘纺出的纤维直径分布较窄(257 ± 77 nm)。他们认为这是不同的电场导致的，圆柱形喷头的表面积太大使电场分布不均衡，球形喷头则是电场强度太弱。Lin等人[163]设计了一个以螺旋线圈作为喷头的纺丝装置，如图1.31d 和e。大量的聚合物从线圈

静电纺丝是化学纤维传统溶液干法纺丝和熔体纺丝的新发展，它是通过使金属电极直接浸没在高分子溶液或熔体中或者与具传导性的喷嘴相连而传导电荷，使高分子溶液或熔