静电纺丝技术的应用研究

静电纺丝技术的应用研究

作者：代琳欣

来源：《科技风》2016年第23期

摘要：近年来，纳米材料的研究成为一个热点问题，国内外针对静电纺丝技术开展了深入的研究，与传统的分离与拉伸方式相比，静电纺丝开始成为现阶段制备纳米纤维的重要方式。本文主要针对静电纺丝技术的应用进行分析。

关键词：静电纺丝技术；应用；纳米材料

近年来，我国的材料研究发展迅速，纳米材料的迅速发展加促了静电纺丝的开发和应用。静电纺丝又称为电纺，它和传统的拉伸、相分离方法相较而言，在纳米纤维的提取上具有更为明显的有效性。本文主要针对电纺技术及其发展历史进行了阐述，对静电纺丝机和静电纺丝技术的进展及其应用进行了分析，最后指出了其发展方向。

1 静电纺丝技术

1.1 静电纺丝的基本原理

静电纺丝的形成过程为，在聚合物溶液上加以足够大的高压静电，使聚合物滴液在与材料表面接触的时候能够产生喷射细流。这些细流经过拉伸细化，与此同时经过弯曲、固化过程，沉积在物体表面形成纳米纤维膜。

1.2 静电纺丝的影响因素

影响静电纺丝的因素有多种，总结来说主要有三个方面：一方面从纺丝液的性质来看，静电纺丝的形成跟聚合物的分子量、纺丝液粘度和浓度、纺丝液的电导率以及弹性有关；从纺丝工艺参数来看，主要跟施加的电压大小和针头到收集板的距离以及纺丝液流量有关；从环境参数来看，静电纺丝加工环境的温度、湿度和空气流动速度都有关系。

1.3 静电纺丝的优缺点

静电纺丝法操作流程简单、可操作性较强，但是它具有以下缺点：静电纺丝要想取得相互分开的纳米纤维的长、短丝不是很容易。另外静电纺丝机的产量较低，生产出来的纳米纤维强度也较难达到用户满意。

2 静电纺丝机的应用

1）一种静电纺丝机是采用喷丝头与收集板垂直排布方式。此类纺丝机的结构主要是立式，它是静电纺丝里面最基础研究内容。

2）另一种静电纺丝机采用喷丝头与收集板水平排布方式。此类纺丝机的机构主要是卧式，它的主件与喷丝头与收集板垂直排布的静电纺丝机大体相同，不同之处就在于其方向上。

3）取向排列纳米纤维静电纺丝机。此类纺丝机通过高速旋转的装置收集取向排列的纳米纤维。

4）高产量静电纺丝机。此类纺丝机又叫作转子纺丝机，它是一种使用多喷头收集静电纺丝的设备，收集效果大大提高。

3 静电纺丝射流稳态和非稳态的研究

在静电纺丝提取的过程中，静电场对射流产生作用，使之成为一个不稳定的过程，这就使得我们得到的静电纺丝纤维足够纤细，从这一角度来看，这种不稳定性是一个有利因素。但是从另一个角度来说，射流的不稳定性增加了静电纺丝工艺的难度。所以对于射流不稳定性的研究有助于人们深刻理解静电纺丝的原理，对于改进其加工工艺有着重要的意义。

3.1 射流的稳定部分

Spivak对于射流半径和轴向位置进行了深入的研究，并且建立起两者之间的微分方程。Qin分析了在纺丝液中加入盐以后，对射流稳定性有何影响，他得出结论：当盐浓度变大的时候，并变短纺丝液射流的稳定长度，加强不稳定性。

3.2 射流的不稳定部分

静电纺丝中会有三种不稳定的状态，一是粘性的不稳定状态，二是曲张的不稳定状态，三是弯曲的不稳定状态。

4 静电纺丝技术的新进展

静电纺丝属于多学科交叉的技术，目前它跟众多的方法相结合来制造功能性的纳米纤维，就呈现出更为明显的学科交叉特点。

4.1 静电纺丝和凝胶溶胶

利用凝胶溶胶和静电纺丝技术能够有效获得一种叫做乙烯醇纳米纤维。把它经过高温处理使其形态和结晶得到改变之后，会形成氧化镁纳米纤维。静电纺丝制得的凝胶纳米纤维和饱和戊二醛在常温下就可以产生交联而得到抗水性和热机械性能，能够有效满足生物上的应用。

4.2 静电纺丝和炭化

对于使用静电纺丝法制得的聚丙烯腈纳米纤维，把它预氧化和炭化以后就能够得到碳纳米纤维。此种方法也存在着一定的不足之处，就是在预氧化和炭化过程当中很难对它施加均匀的张力。由于纳米本身的取向低、强度低，这就导致炭化以后的炭纤维同样也取向低、强度低。

5 静电纺纳米纤维膜的应用

静电纤维膜的应用范围比较广泛，可应用于生物医药材料，作为组织工程的支架和修复材料等。也可用于过滤材料和吸附材料，或者可以用于负荷增强材料，静电纺丝具有较高的比表面积，可以有效提高层压复和材料的层间剪切强度。在传感器的应用上，有效提高了其灵敏性。

6 结论

静电纺丝的不稳定性对纳米的影响较大，对它进行深入研究后可以有效控制纳米材料的质量。目前还缺乏产量高的静电纺丝机，纳米技术的发展将此类材料从实验室推向到市场，突破原来的单体聚合，加入功能型集团或者颗粒，开发新型的静电纺纳米纤维是市场发展的客观需求，所以静电纺丝技术拥有非常广阔的发展前景。

参考文献：

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