静电纺丝工艺与装置的研究进展

静电纺丝工艺与装置的研究进展

薛 花,熊 杰,李 妮,刘冠峰

(浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州 310018)

摘 要:主要综述了通过改变静电纺丝接收装置制取定向、螺旋排列的纳米纤维。列举了添加附加磁场、辅助电极、超声震动等方法而改进了的新型静电纺丝装置。还介绍了多层静电纺丝、混合静电纺丝和同轴静电纺丝。

关键词:静电纺丝;影响因素;装置中图分类号:T Q340.64

文献标识码:A

文章编号:1009-265X(2010)02-0048-04

收稿日期:2009-10-12

基金项目:973计划前期研究课题(2008CB617506),长江学者

和创新团队发展计划资助(IRT 0654),先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室开放基金资助项目(2006003)

作者简介:薛 花(1986-),女,江苏江阴人,硕士研究生,主

要从事纳米纤维与复合材料的研究。

0 引 言

静电纺丝是一项能制备纳米级到微米级纤维的技术,相比于其他方法,该技术更加方便、简单、灵活,而且可以适用于大部分聚合物。静电纺纳米纤维膜具有比表面积大,孔隙率高等特点,已经得到了人们广泛的关注。但是由于纺丝过程中射流存在着一种不稳定的/鞭动0状态,使得接收装置上纤维的排列往往是杂乱无章的,因此越来越多的研究者开始致力于取向纳米纤维制取的研究。1 静电纺丝

111 静电纺丝的基本原理

静电纺丝装置一般由高压电源,喷丝头和接收装置3部分组成,如图1所示。聚合物的表面张力

与带电液滴在喷丝头末端处于平衡,随着电压的加大,液滴被逐渐拉长形成锥体(Taylo r 锥)。当电场增加到临界值时,电荷斥力大于表面张力,射流从T ay lor 锥表面喷出。射流先后经过一个稳定和不稳定的拉长过程,变长变细,同时溶剂挥发固化,以无序状排列于接收装置上,形成纤维毡(网或者膜)

[1-2]

。

112 静电纺丝的影响因素

静电纺丝的影响因素主要包括溶液性质(如黏度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常数、

表面张力等),过程条件(如电压、挤出率、喷丝头

图1 静电纺丝装置图

与接收装置之间的距离、喷丝头直径等)和环境因素(如温度、湿度、气体流速等)。对于这一方面,很多人进行了研究。

邵东锋[3]

对PAN/DM F 浓度,静电电压,溶液

挤出量,接收距离等参数进行了研究,发现纤维直径随溶液浓度的增加而增大,随电压的增加而减小,随接收距离增加也减小,而溶液挤出量在一定范围内对纤维形态的影响不大。覃小红等[4]将PAN 溶于DMA C 中,也得出了同样的结论。

李妮等[5]以聚乙烯醇和聚丙烯腈溶液为原料进行静电纺丝,来研究溶液性质对静电纺纤维形态的影响。实验发现随着溶液质量分数的增加,串珠明显减少,纤维直径增加;溶液导电性的增加使纤维直径的离散程度明显减小,而对纤维直径的大小和串珠的影响不大。

赵从涛等[6]在PAN/DM AC 溶液中加入不同种类的盐LiCl,NaNO 3,N aCl,CaCl 2来控制纺丝液的导电性,进而研究不同种类盐的加入对PAN 静电纺丝的影响。实验发现盐对导电性大小的影响顺序为LiCl>N aNO 3>CaCl 2>NaCl>无盐,对纤维直径的影响顺序依次为LiCl>NaNO 3>CaCl 2>NaCl 。

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2 静电纺丝装置211 静电纺丝接收装置

采用传统的静电纺丝接收装置,由于纺丝过程中不稳定状态的存在,在接收装置上得到的纤维往往是无序排列的。因此,制取具有独特的电学、光学、机械性能的取向纤维引起了研究者的极大兴趣。获得高度取向的静电纺丝纤维的主要方法是通过改进接收装置和控制电场等方法来实现的。21111 平行板接收装置

Li Dan 等[7]

尝试了一种新的方法排列纤维,他们将两个电极平行放置(如图2),纤维在下落过程中受到静电力的作用,并在垂直于平行电极的方向被拉直沉积,最终搭载在两个电极之间(如图3)。

他们认为两个电极产生的静电力是纤维取向排列的主要原因。这种方法所得的纤维取向排列程度有很大提高,排列纤维面积也有很大增加,是一种简单而行之有效的方法。

21112 制备螺旋状纤维的接收装置

Yu Jie 等[8]设计了一种新型的接收装置(如图4),用来收集定向排列的螺旋状纤维(如图5)。与传统的静电纺丝装置不同,接地的接收电极是一个固定在木板中心的直径为2mm 的金属电线。接地电极与喷丝头之间存在一定的角距离,且在两者之

间放置一块倾斜的载玻片,用来接收螺旋状的纤维。

在纺丝过程中,当射流到达收集板表面时被挤压产生机械不稳定性,从而产生弯曲折叠、曲折褶皱或者螺旋结构的纤维。

21113 动态水浴接收装置

Teo Wee -Eo ng 等[9]设计了一种新型的动态水浴接收装置,如图6所示。该装置主要是通过水流由上水槽底部直径为5mm 的洞流出时形成的漩涡,对纤维进行拉伸。用水泵连接上下两个水槽形成一个循环,使水能重复循环使用并且保持上水槽的水位不变。在上水槽中插入一根导线,将水面上多余的电荷导出。在不拉断纤维的前提下,旋转的离心力和水流牵引作用下

,对纤维进行很好的拉伸牵引。纤维在漩涡底部汇聚成纱线,从槽底的洞中流出,并用旋转的滚筒接收纤维纱线。

图6 动态水浴接收装置图

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212 附加磁场的静电纺丝

Wu Yue 等[10]在静电纺丝过程中加入电场,如图7所示。在磁场的作用下

,射流中的电流所产生的安培力的方向始终指向初始平衡点,从而导致鞭动范围减小,射流的稳定性控制得到提高。

图7 辅助磁场装置图

213 带有辅助电极的静电纺丝装置

Carnell Lisa S 等[11]在喷丝头对面,且与旋转的圆筒接收装置呈90e 角处放置一个辅助电极(如图

8)。该电极提供与喷丝头上大小相等方向相反的电压。该装置产生一个可控的电场以消除电纺过程中的弯曲不稳定和鞭动,从而使电纺射流沿一个稳定的轨迹喷射。

图8 带有辅助电极的静电纺丝装置

Kim GeunH y un 等[12]

则将一个圆柱型电极以

一个铜导线与多喷丝头连接(如图9),使得喷丝头附近的射流间的相互排斥减小,电纺射流稳定。圆柱型电极覆盖在多针头上用来减少边缘效应,其纺丝得到的纳米纤维膜的面积较未加辅助电极的要小得多。同时,使用带有辅助电极的多针头静电纺丝装置可以提高静电纺纳米纤维的生产率。

214 振动静电纺丝

万玉芹等[13]使用传统静电纺丝设备和自行设计的振动静电纺丝设备(如图10)分别对聚丙烯腈(PAN)和聚氧化乙烯(PEO)进行纺丝。与用传统静电纺丝装置获得的PAN

纳米纤维相比,加了超声振动纺丝机使获得的PAN 纤维直径由1000nm 图9 带有圆柱形辅助电极的多喷头静电纺丝装置

降到700nm 左右,PEO 由用传统静电纺丝装置不可纺变成了可纺,并且获得了直径在100nm 左右的PEO 纤维。实验证明,超声波振动可以有效降低聚合物溶液的黏度

,增强其流动性能。将超声波振动引入静电纺丝过程中后,超声波振动可以达到有效降低纺丝纤维细度、提高溶液可纺性的目的。

图10 超声振动纺丝装置

H e J H 等[14]设计了一种振动-熔融纺丝的方法(如图11)。这种方法主要特点也是在传统的静

电纺丝设备的注射器末端连接一个超声发生器,在注射器的头端连接加上一个电热器或采用同轴设施内轴为纺丝液,外轴通高温回流蒸汽的加热设备。这种方法非常适合高黏度、大分子量的聚合物,纺出的纤维更细,具有更大

的比表面积,更高的纳米效应,能够更好地模拟细胞外基质的网状结构特点。

图11 振动-熔融纺丝法

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