醋酸纤维素高压静电纺丝
实验三醋酸纤维素高压静电纺丝
1. 实验目的
（1）通过本实验了解静电纺丝的工作原理，及其哪些聚合物可以通过静电纺丝技术制备。（2）了解静电纺丝技术制备纳米纤维中的影响因素，如温度、浓度、表面张力、电压、供料速度和收集板间距等条件的影响。
2．实验原理
(1) 工作原理
静电纺丝纳米纤维的首个专利在1934年被报道后，直到二十世纪中期该纳米技术的潜在应用前景才受到各领域的广泛关注。与无机纳米棒、碳纳米管和纳米金属线不同，静电纺丝技术对于有效地控制纤维的排布和二维、三维纳米纤维的制备有独特的潜在价值。与自下而上的生产方法相比，自上而下的生产纳米材料的最大优点是低成本。通常，这种工艺生产的纳米纤维还具有取向分布均匀和无需昂贵净化费用的特点。
静电纺丝的基本装置由三部分组成：高压电源、注射器（带有小直径针头）和收集装置，如图1所示。高压电源主要是使纺丝液形成带电喷射流，注射器是为纺丝提供供料，而大多数的收集装置是带有铝箔纸滚筒收集装置。高压电源的一极接在注射器的针头上，另一极接在收集装置上。纺丝液在泵的推力作用下被挤出。带电喷射流无规则收集到铝箔纸上，形成无纺布。
静电纺丝的基本原理是：聚合物纺丝液在电场力的作用下，由于聚合物表面张力作用，在注射器的针头上会产生一个圆锥形的纺丝液滴（称之为Taylor锥），当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor锥中被拉伸出来。在丝的形成过程中，带电的喷射流由于不稳定被拉伸，变的越来越细，于此同时大部分的溶剂挥发。纳米纤维被无规地收集在收集板上形成纤维膜结构。
图 1 静电纺丝装置示意图
(2) 静电纺丝基本参数及其对纤维形貌的影响
目前，静电纺丝主要包括熔融静电纺丝和溶液静电纺丝两种。与溶液静电纺丝不同的是熔融静电纺丝是使聚合物在高温条件下熔融，然后在电场力作用下被拉伸成丝，纺丝大部分是在真空条件下进行的。熔融静电纺丝所得纤维直径比较粗，甚至有达到几个微米，且目前只有极少聚合物被纺丝成功。然而目前已通过溶液静电纺丝制备直径从小于3 nm到1 μm 的上百种聚合物纤维。本论文讨论的都是溶液静电纺丝。
溶液性质对静电纺丝纤维形貌和直径的影响因素主要包括以下三个方面：
①聚合物分子量
聚合物分子量对聚合物溶液的流变性和电性能，如粘度、表面张力、电导率和介电常数等有重要影响。这些特性都可以影响纤维的形貌和结构。McKee等人报道，只有当聚合物的分子量大于缠结分子量时，聚合物才可以通过静电纺丝制得纳米纤维。Gupta等人合成了一系列分子量的甲基丙烯酸甲酯（PMMA），他们发现随着PMMA分子量的增大，纺丝纤维的珠子（bead）明显减少。如果PMMA浓度低，但是分子量分布窄，同样可以得到均一纳米纤维。
②高分子溶液的浓度和粘度
静电纺丝过程中，溶液的浓度和粘度是影响纤维形貌和直径最关键因素之一。例如，Reneker把聚环氧乙烷（PEO）溶解在水和乙醇的混合溶液中进行纺丝，发现纺丝液的粘度在1-20 泊时，比较适合于纺丝。当纺丝液的粘度大于20 泊时，由于纺丝液内聚能比较大，纺丝喷射流不稳定，而不能进行静电纺丝。相反的粘度比较低（小于1泊）时，只能形成液滴而不能形成喷射流即不能成丝。
③表面张力
当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor 锥中被拉伸出来。喷射流如果经不住表面张力和电场力的作用，则散开成珠状结构。所以表面张力是影响电纺纤维形貌的因素之一。Liu等人在醋酸纤维素（CA）静电纺丝中发现，CA不能在DMAc溶液中纺出纤维，但是在DMAc溶剂中加入一定量的丙酮后，溶液的纺丝能力大大改善。主要是因为加入了丙酮可以降低溶液的表面张力。
纺丝参数对纺丝影响
①纺丝电压和电场强度
当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor 锥中被拉伸出来。通过激光衍射观察，增大电压产生的粗射流最后会分散为许多小射流。例如，Geng等人在电纺脱乙酰壳聚糖时发现增大纺丝电压纤维直径变细，但是在纤维表面却出现了很多缺陷。主要因为电压大，纤维受到的拉力也大。电压继续增大时虽然纤维直径继续减小，但是电压过高使喷射流不稳定出现了珠串纤维。粘胶纤维功能的仿真丝聚合物的直径也随电压的增大而减小。
②喷丝口
采用同轴共纺丝可以得到壳（Shell）/核（Core）复合纳米纤维、有机/无机复合纳米纤维和中空无机纳米纤维。如果喷射口并排，可以得到并排结构复合纳米纤维。为了提高纺丝效率，Dosunmu采用多喷射头纺制尼龙-6纤维，其纺丝效率为单根喷射头的250倍。
③喷丝头与收集板间距
喷丝头与收集板间距改变也会影响纤维的形貌。喷丝头与收集板间的最小距离为喷射流在到达收集板前有足够的时间挥发溶剂。间距过大或过小都会形成珠串纤维。例如，Zussman 等人对尼龙-6的纺丝过程发现，较近的接受距离会产生“潮湿”的纤维或“念珠状”纤维。3．实验设备用原料
原料：醋酸纤维素（CA）取代度为2.45，重均分子量为3.0×104，购自sigma-aldrich公司。N,N-二甲基乙酰胺，丙酮，上海国药试剂厂。
仪器：微量注射泵：TS2-60型，保定兰格恒流泵有限公司；高压电源：DW-P303-IAC，天津东文高压电源厂。
4．实验步骤
如示意图1，5 mL CA/DMAc/丙酮溶液装入内径为16 mm针管（CA的浓度为25%，DMAc：丙酮=1:2 v/v）。喷丝口内径为0.84 mm（规格18）的不锈钢针头。把注射器固定在注射泵上，电极的一端夹住针头，另一端连接高压电源（DW-P303-IAC, 天津东文高压电源厂），接地电极与收集板（铝箔）相连。纺丝参数：电压8 kV，针头与收集板间距15 cm，
供料速度10 μL/min由注射泵控制（TS2-60型，保定兰格恒流泵有限公司）。制得的纳米纤维膜于80 o C下真空干燥10h，除去残余溶剂。并用光学显微镜观察纤维形貌。
5．实验报告
（1）记录实验过程中溶液的配制，及其所用的参数，如电压、收集板间距、供料速度等。（2）观察纤维的形貌特征，并描述。
（3）讨论
①结合实验结果、总结静电纺丝的影响因素。
②怎样控制实验参数制备均匀无珠的纤维。
6．注意事项
（1）高压静电纺丝过程中手不得接触针头，以免触电。
（2）如果纺丝头方向堵塞，应停止纺丝，待针头通顺以后再行纺丝。不可强制挤出，以免烧坏纺丝泵。
7．思考题
（1）影响纺丝过程的因素有哪些，且是如何影响的？
（2）静电纺丝的纺丝原理及其过程如何？
静电纺丝法简介
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕士生课程论文 题目静电纺丝法简介 学生姓名张辉华 学号133511018 指导教师秦毅红 学院冶金与环境学院专业冶金工程 完成时间2014.5.27
静电纺丝法简介 摘要：静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝，作为一种新颖的纳米纤维制备方法，具有许多一般纳米纤维制备法没有的优点，在国内外一直引起广泛的关注。本文主要是介绍了静电纺丝的基本原理以及研究重点，同时简要地介绍了此方法在电池材料一起其他材料上的应用。 前言 静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。静电纺丝技术在1934年首先由Formhals[1]提出, 随后的相当长一段时间又有多项专利出现。近年来，随着纳米材料研究的兴起，人们发现由电纺制得的纤维的直径可以达到纳米级，使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[2]。目前, 主要是从事材料、化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝。 1 静电纺丝实验装置与基本原理 1.1 电纺过程 所需设备高压电源，溶液储存装置，喷射装置( 如内径 1 mm 的毛细管) 和收集装置( 如金属平板、铝箔等) 。图1为传统的单纺装置。 图1 经典的静电纺丝装置示意图
高压静电场(一般在几千到几万伏) 在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差，使毛细管内聚合物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体) 克服自身的表面张力和粘弹性力，在喷丝头末断呈现半球状的液滴。随着电场强度增加，液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过一临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流(一般流速数m/s)，在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者循螺旋形路径行走，伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化，终落在收集板上形成纤维，直径一般在几十纳米到几微米之间。 除去传统的单纺丝还有其他的一些纺丝方式，如同轴静电纺丝，共轴复合纺丝就是将两种不同聚合物溶液预先不经混合, 而是各自在电场力的驱动下共轴 喷射经过同一个毛细管或注射器针头出口，得到连续的复合纤维的方法，该纤维具有核-壳结构。共轴复合纺丝设备如图2(a)所示，核-壳结构纤维如图2(b)所示。 图2 同轴纺丝和复合纤维形貌 同轴纺丝能直接接一步制备复合微/纳米线，可以制备医用复合纳米线、空心纳米管，这种方法制备出来的材料品质要明显优于涂覆法制备的材料。此外可以将碳纳米管与挥发性溶剂混合液用作内纺液, 将聚合物溶液用作外纺液, 利用溶剂的挥发性就可以携带碳纳米管渗透到外层聚合物中, 形成连续的碳纳米管增强 的复合纳米纤维。
医学领域的静电纺丝技术
近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题。 要使缺损的组织和器官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的。 自20世纪60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注。与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
静电纺丝作为一种简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，终固化成微纳米级纤维状物质的过程。 静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点，能够满足组织工程中细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附。 国内纳米纤维和静电纺丝技术正在蓬勃发展，科研发文数量一直位居全球首位。近年来，电纺纤维及其纤维膜由于高的比表面积，高的孔隙率以及形貌可控等优点在伤口愈合方面引起了很多关注，电纺纤维膜一方面能够物理隔绝病毒和细菌，又能够透气保湿，给伤口营造一个良好的愈合环境。 另一方面，电纺纤维的直径以及纤维膜的孔径与细胞外基质的尺寸相仿，能够促进细胞生长，加速伤口愈合速度，减少疤痕产生，因此在创伤敷料方面有独特的优势。 但大多数电纺敷料通常是经过先制备再应用的过程，容易对伤口造成二次创伤。原位电纺目前是一种较为理想制备及应用电纺敷料的方法。便携式手持静电
静电纺丝技术的工艺原理及应用
静电纺丝技术的工艺原理及应用 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性，例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高，因而具有广泛的应用。 1、静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代，Formals A就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝，但是直到近些年，由于对纳米科技研究的迅速升温，激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。 1.1 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique)是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分：静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC／DC和AC／DC两种类型，实验中多用IX；／DC电源。液体供给装置是一端带有毛细管的容器(如注射器)，其中盛 有高分子溶液或熔体，将一金属线的一端伸进容器中，使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板，可以是金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地，作为负极，并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高，液体流量控制系统也被渐渐的采用，这样可以将液体的流速控制得更准确。电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用，聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时，毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形，称为Taylor锥。进一步增加电场强度，是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值，此时带电射流从Taylor锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程，
静电纺丝技术
静电纺丝技术的研究 摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理 前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。 纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。 一静电电纺丝技术 静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。由于静电雾化技术与静电纺丝技术原理类似，所以前者的研究也为后者提供了一定的理论基础[4]。因为静电纺丝过程涉及到的学科领域很多，所以至今对它的研究仍处于探索阶段，虽然早在1934年，Formals就发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，在其专利中，他公布了如何以丙酮作为溶剂的醋酸纤维素溶液在电极间形成射流，从而在静电推力下产生聚合物纤维。 静电纺丝技术的思路最早来源于人们对液体在电场力作用下的电喷射行为
醋酸纤维素高压静电纺丝
实验三醋酸纤维素高压静电纺丝 1. 实验目的 （1）通过本实验了解静电纺丝的工作原理，及其哪些聚合物可以通过静电纺丝技术制备。（2）了解静电纺丝技术制备纳米纤维中的影响因素，如温度、浓度、表面张力、电压、供料速度和收集板间距等条件的影响。 2．实验原理 (1) 工作原理 静电纺丝纳米纤维的首个专利在1934年被报道后，直到二十世纪中期该纳米技术的潜在应用前景才受到各领域的广泛关注。与无机纳米棒、碳纳米管和纳米金属线不同，静电纺丝技术对于有效地控制纤维的排布和二维、三维纳米纤维的制备有独特的潜在价值。与自下而上的生产方法相比，自上而下的生产纳米材料的最大优点是低成本。通常，这种工艺生产的纳米纤维还具有取向分布均匀和无需昂贵净化费用的特点。 静电纺丝的基本装置由三部分组成：高压电源、注射器（带有小直径针头）和收集装置，如图1所示。高压电源主要是使纺丝液形成带电喷射流，注射器是为纺丝提供供料，而大多数的收集装置是带有铝箔纸滚筒收集装置。高压电源的一极接在注射器的针头上，另一极接在收集装置上。纺丝液在泵的推力作用下被挤出。带电喷射流无规则收集到铝箔纸上，形成无纺布。 静电纺丝的基本原理是：聚合物纺丝液在电场力的作用下，由于聚合物表面张力作用，在注射器的针头上会产生一个圆锥形的纺丝液滴（称之为Taylor锥），当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor锥中被拉伸出来。在丝的形成过程中，带电的喷射流由于不稳定被拉伸，变的越来越细，于此同时大部分的溶剂挥发。纳米纤维被无规地收集在收集板上形成纤维膜结构。
图 1 静电纺丝装置示意图 (2) 静电纺丝基本参数及其对纤维形貌的影响 目前，静电纺丝主要包括熔融静电纺丝和溶液静电纺丝两种。与溶液静电纺丝不同的是熔融静电纺丝是使聚合物在高温条件下熔融，然后在电场力作用下被拉伸成丝，纺丝大部分是在真空条件下进行的。熔融静电纺丝所得纤维直径比较粗，甚至有达到几个微米，且目前只有极少聚合物被纺丝成功。然而目前已通过溶液静电纺丝制备直径从小于3 nm到1 μm 的上百种聚合物纤维。本论文讨论的都是溶液静电纺丝。 溶液性质对静电纺丝纤维形貌和直径的影响因素主要包括以下三个方面： ①聚合物分子量 聚合物分子量对聚合物溶液的流变性和电性能，如粘度、表面张力、电导率和介电常数等有重要影响。这些特性都可以影响纤维的形貌和结构。McKee等人报道，只有当聚合物的分子量大于缠结分子量时，聚合物才可以通过静电纺丝制得纳米纤维。Gupta等人合成了一系列分子量的甲基丙烯酸甲酯（PMMA），他们发现随着PMMA分子量的增大，纺丝纤维的珠子（bead）明显减少。如果PMMA浓度低，但是分子量分布窄，同样可以得到均一纳米纤维。 ②高分子溶液的浓度和粘度 静电纺丝过程中，溶液的浓度和粘度是影响纤维形貌和直径最关键因素之一。例如，Reneker把聚环氧乙烷（PEO）溶解在水和乙醇的混合溶液中进行纺丝，发现纺丝液的粘度在1-20 泊时，比较适合于纺丝。当纺丝液的粘度大于20 泊时，由于纺丝液内聚能比较大，纺丝喷射流不稳定，而不能进行静电纺丝。相反的粘度比较低（小于1泊）时，只能形成液滴而不能形成喷射流即不能成丝。 ③表面张力
静电纺丝技术
摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理 前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。 纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。 一静电电纺丝技术 静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。由于静电雾化技术与静电纺丝技术原理类似，所以前者的研究也为后者提供了一定的理论基础[4]。因为静电纺丝过程涉及到的学科领域很多，所以至今对它的研究仍处于探索阶段，虽然早在1934年，Formals就发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，在其专利中，他公布了如何以丙酮作为溶剂的醋酸纤维素溶液在电极间形成射流，从而在静电推力下产生聚合物纤维。 静电纺丝技术的思路最早来源于人们对液体在电场力作用下的电喷射行为的研究。Raleigh在1882年研究发现，当液滴承受的电场力超过表面张力时，其原本的平衡状态被打破，悬挂在金属喷丝头上的液滴就分裂成一系列带电小液
静电纺丝法制备聚吡咙纳米纤维
５ 科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ技 术 创 新 ２００９ ＮＯ．２２ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ科技创新导报 聚吡咙分子链中同时含有两个以上的共轭环，具有近似二维的方向性的层状结构，分子链具有很大刚性。这种刚性分子链排列较为规整，因此聚吡咙具有很高的玻璃化转变温度和热分解温度。聚吡咙在高温下仍可保持较好的机械性能，可满足航 空航天、微电子等尖端领域对耐高温材料的要求。聚吡咙分子结构中有离域的大π键，因此在有机光伏器件中被又认为是极具前景的半导体材料。例如，聚吡咙通过掺 杂后是导电聚合物，作为一种ｎ－型电子传输 材料具有优良的电子传输能力。有文献报道，将ｎ型材料聚吡咙与Ｐ型材料ＰＰＶ作成双层太阳能电池得到了很好的光伏性质。在目前的文献中，聚吡咙仅限于薄膜的研究，用静电纺丝法制备聚吡咙纳米纤维却未见报道，而其它某些重要半导体聚合物如 ＰＰＶ和聚噻吩等纳米纤维都已得到并呈现出新的性能。因此，制备聚吡咙纳米纤维和研究其性能，具有重要意义。 目前高压静电纺丝技术是制备连续超细纳米纤维的简单而有效的方法，引起了人们的广泛关注。迄今为止已经对许多品种的高分子进行了静电纺丝，所涉及的有传统的化纤，还有高性能的液晶高分子、生物大分子、弹性体和导电分子等。利用该技术制得的超细纤维主要在以下几个方面具有潜在的应用：组织工程、过滤、化学／生物防腐、电极材料、敏化材料、纳米电子装置、传感器、光电装置、药物传递、复合材料、光伏材料和创伤修复等。本文通过溶液缩聚法合成聚吡咙前躯体溶液，利用静电纺丝法制成聚吡咙前躯体纳米纤维，然后在高温下脱水闭环而得到聚吡咙纳米纤维。利用ＳＥＭ和ＦＴ－ＩＲ对聚吡咙纳米纤维进行表征。 １ 实验部分 １．１试剂与测试仪器 萘四甲酸二酐（分析纯， Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ公司）；四胺基联苯（分析纯，上海邦成化工有限公司）；Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（分析纯，哈尔滨市万腾试剂有限公司）。红外光谱仪（ｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ＯｎｅＦＴ－ＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ美国）；ＭＸ２６００ＦＥ场发射扫描电子显微镜（英国）。１．２聚吡咙前躯体的合成 在一个装有机械搅拌、氮气出入口的１００ｍｌ三口瓶中，将１．４５９０ｇ（６．８０９ｍｍｏｌ）四胺基联苯（ＤＡＢ）溶于新蒸馏的８ｍｌ Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）中，将反应体系用冰盐浴冷却，温度控制在－５℃左右。于此温度下，每隔１５ｍｉｎ缓慢加入等摩尔的１．８２６１ｇ（６．８０９ｍｍｏｌ）萘四甲酸二酐（ＮＴＤＡ）固体粉末，约需２－３小时加完，溶液颜色随着二酐固体的加入而逐渐变深，在室温（２５℃）下继续反应１２ｈ，得到粘稠的聚吡咙前躯体溶液，溶液颜色为深黄色。聚吡咙前驱体溶液的重量百分数为３０ｗｔ％，特性黏度为０．７５ｄＬ／ｇ（０．５ｇ／ｄＬ 的ＤＭＦ中３０℃下测得）。将合成的前躯体溶液迅速过滤用于纺丝液。聚吡咙前躯体和加热环化制备聚吡咙 静电纺丝法制备聚吡咙纳米纤维 王晓琳 彭宁 张文晶 白续铎 （黑龙江大学化学化工与材料学院 黑龙江哈尔滨 １５００８０） 摘 要：本文通过溶液缩聚法合成聚吡咙前躯体溶液，利用高压静电纺丝法将聚吡咙前躯体制成纳米纤维，最后加热环化得到聚吡咙纳米纤维。采用ＳＥＭ、ＦＴ－ＩＲ手段对聚吡咙纳米纤维进行了表征，详细研究了溶液浓度、 电压等对聚吡咙前躯体纳米纤维形貌的影响，得到了 制备聚吡咙纳米纤维的最佳实验条件。 试验结果表明，浓度和电压是影响聚吡咙前躯体纳米纤维形成的关键因素。 关键词：聚吡咙 纳米纤维 静电纺丝 中图分类号：ＴＱ３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０８（ａ）－０００５－０２ 图１ 两步法合成聚吡咙 图２ 静电纺丝装置图 （ａ）聚吡咙 前躯体 （ｂ）聚吡咙前