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1、CENTRALSOUTHUNIVERSITY碩士生課程論文題目靜電紡絲法簡(jiǎn)介學(xué)生姓名張輝華學(xué)號(hào)133511018指導(dǎo)教師秦毅紅學(xué)院冶金與環(huán)境學(xué)院專業(yè)冶金工程完成時(shí)間2014.5.27靜電紡絲法簡(jiǎn)介摘要：靜電紡絲法是聚合物溶液或熔體在靜電作用下進(jìn)行噴射拉伸而獲得納米級(jí)纖維的紡絲，作為一種新穎的納米纖維制備方法，具有許多一般納米纖維制備法沒有的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外一直引起廣泛的關(guān)注。本文主要是介紹了靜電紡絲的基本原理以及研究重點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)要地介紹了此方法在電池材料一起其他材料上的應(yīng)用。前言靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式，此時(shí)霧化分裂出的物質(zhì)不是微小液滴，而
2、是聚合物微小射流，可以運(yùn)行相當(dāng)長的距離，最終固化成纖維。靜電紡絲技術(shù)在1934年首先由Formhals[1]提出,隨后的相當(dāng)長一段時(shí)間又有多項(xiàng)專利出現(xiàn)。近年來，隨著納米材料研究的興起，人們發(fā)現(xiàn)由電紡制得的纖維的直徑可以達(dá)到納米級(jí)，使得這種技術(shù)重新受到重視并出現(xiàn)了大量的文獻(xiàn)[2]。目前,主要是從事材料、化工和高分子領(lǐng)域的科學(xué)家在研究靜電紡絲。1靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置與基本原理1.1電紡過程所需設(shè)備高壓電源，溶液儲(chǔ)存裝置，噴射裝置(如內(nèi)徑1mm的毛細(xì)管)和收集裝置(如金屬平板、鋁箔等)。圖1為傳統(tǒng)的單紡裝置。圖1經(jīng)典的靜電紡絲裝置示意圖9高壓靜電場(chǎng)(一般在幾千到幾
3、萬伏)在毛細(xì)噴絲頭和接地極間瞬時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電位差，使毛細(xì)管內(nèi)聚合物溶液或者熔融體(一般為非牛頓流體)克服自身的表面張力和粘彈性力，在噴絲頭末斷呈現(xiàn)半球狀的液滴。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，液滴被拉成圓錐狀即Taylor錐。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過一臨界值后，將克服液滴的表面張力形成射流(一般流速數(shù)m/s)，在電場(chǎng)中進(jìn)一步加速，直徑減小，拉伸成一直線至一定距離后彎曲，進(jìn)而循環(huán)或者循螺旋形路徑行走，伴隨溶劑揮發(fā)或熔融體冷卻固化，終落在收集板上形成纖維，直徑一般在幾十納米到幾微米之間。除去傳統(tǒng)的單紡絲還有其他的一些紡絲方式，如同軸靜電紡絲，共軸復(fù)合紡絲就是將兩種不同聚合物溶液預(yù)先不
4、經(jīng)混合,而是各自在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下共軸噴射經(jīng)過同一個(gè)毛細(xì)管或注射器針頭出口，得到連續(xù)的復(fù)合纖維的方法，該纖維具有核-殼結(jié)構(gòu)。共軸復(fù)合紡絲設(shè)備如圖2(a)所示，核-殼結(jié)構(gòu)纖維如圖2(b)所示。圖2同軸紡絲和復(fù)合纖維形貌同軸紡絲能直接接一步制備復(fù)合微/納米線，可以制備醫(yī)用復(fù)合納米線、空心納米管，這種方法制備出來的材料品質(zhì)要明顯優(yōu)于涂覆法制備的材料。此外可以將碳納米管與揮發(fā)性溶劑混合液用作內(nèi)紡液,將聚合物溶液用作外紡液,利用溶劑的揮發(fā)性就可以攜帶碳納米管滲透到外層聚合物中,形成連續(xù)的碳納米管增強(qiáng)的復(fù)合納米纖維。9圖3其他靜電紡絲裝置和纖維形貌91.2靜電紡絲原理
5、研究靜電紡絲法是聚合物溶液或熔體在靜電作用下進(jìn)行噴射拉伸而獲得納米級(jí)纖維的紡絲方法，如今的研究主要集中在兩個(gè)方面：(1)Taylor錐與噴射；(2)納米纖維的彎曲非穩(wěn)定性。1.2.1Taylor錐與噴射理論溶液在毛細(xì)管管口同時(shí)受到表面張力和電場(chǎng)力的作用，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，溶液中的同性電荷聚集在液滴表面，表面電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)引起液滴變形，當(dāng)電壓達(dá)到某一臨界值Vc時(shí)，管口處的溶液由半球形逐漸變?yōu)殄F形，這一帶電的錐體被大家稱為泰勒錐。繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到到另一臨界值時(shí),將克服液滴的表面張力形成射流。Taylor曾通過大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出Taylor錐理論上
6、臨界角為49.3°[3]。但是在2001年以及之后得出了如下結(jié)論：（1）臨界狀態(tài)輪廓仍為錐形，但錐角是33.5°而不是49.3°；（2）對(duì)于牛頓流體來說，臨界錐角與流體性質(zhì)無關(guān)，因?yàn)楸砻鎻埩Φ脑龃罂偸前殡S臨界電場(chǎng)的變大。然而在彈性液體或者非松弛粘彈性液體的條件下,臨界雙曲面的銳度與彈力和表面張力有關(guān)系。Yarin等拍出的照片（實(shí)線為實(shí)測(cè)錐體形狀，虛線為Taylor錐體形狀）圖4臨界液滴形狀[8]{（a）為向上噴射，（c）為向下噴射，（b）、（d）分別為（a）、（b）的放大圖}9一般情況下,靜電紡絲的外加電場(chǎng)為直流電,但是Maheshwari和Chang[
7、2]發(fā)現(xiàn)直流電和交流電對(duì)Taylor角的改變很大，交流電產(chǎn)生的錐角比直流電小得多（交流電的錐角大約9°）。1.2.2納米纖維彎曲非穩(wěn)定性研究纖維在運(yùn)動(dòng)的過程中的受力主要有電場(chǎng)力、表面張力、重力、纖維內(nèi)部粘彈力等。實(shí)際上噴絲過程還有空氣阻力、電荷互斥力等較弱的影響因素。隨著噴絲的進(jìn)行，溶劑揮發(fā)或熔融體的固化，其中部分因素不斷發(fā)生變化，噴絲表現(xiàn)出非穩(wěn)定性，它們會(huì)彎曲然后變成一系列環(huán)形，并且越接近接收板，環(huán)形的直徑越大，噴絲越細(xì)。非穩(wěn)定性對(duì)納米纖維形成的尺寸等是非常重要的。近來，在非穩(wěn)定性上的研究也小有進(jìn)展，Yarin等[3]引用局部近似法計(jì)算出的噴射路徑與實(shí)
8、驗(yàn)結(jié)果吻合的很好，Brenn[4]研究了非牛頓流體噴射的非穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn)高密度
