靜電紡絲法制備納米纖維和成紗研究進(jìn)展

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1、靜電紡絲法制備納米纖維及成紗研究進(jìn)展董雅婕（武漢紡織大學(xué)機(jī)械學(xué)院）摘要：通過靜電紡絲法制備的納米纖維具有長徑比大、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，目前，靜電紡絲納米纖維在過濾材料、藥物傳遞、傷口防護(hù)、骨架組織工程、航空航天及燃料電池材料等其他領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，甚至在生物醫(yī)學(xué)、傳感器以及其他特殊領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。本文介紹了靜電紡成紗原理及其影響因素，概括了國內(nèi)外靜電紡納米纖維紗成紗裝置的進(jìn)展，以及靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀。預(yù)計(jì)未來隨著靜電紡絲技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向車間生產(chǎn)流水線，靜電紡絲納米纖維將會(huì)得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：靜電

2、紡絲；納米纖維紗；成紗裝置0引言靜電紡絲又稱為電紡絲，在1934年首先由Formhals[1,2]提出該技術(shù)并申請(qǐng)了專利，報(bào)道了高壓靜電場(chǎng)紡絲，當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的注意。但是，隨著納米纖維研究的迅速升溫，高壓靜電場(chǎng)紡絲技術(shù)又引起了人們對(duì)其深入研究的興趣。目前，合成納米纖維的方法很多，例如：分相法[3]，自組裝法[4]，抽絲法[5]，模板合成法[6]等。分相法，又稱相分離法，主要機(jī)理是通過兩相的物理不相容性來實(shí)現(xiàn)，溶劑相被萃取出來，剩下另一相。該方法對(duì)設(shè)備要求低，可直接制備納米纖維基質(zhì)，但該方法局限于特定聚合物。自組裝法的主要機(jī)理是分子間

3、的力將小的分子結(jié)構(gòu)單元組裝在一起，形成納米纖維，大分子納米纖維的形狀取決于小分子結(jié)構(gòu)單元的形狀。該方法易于獲得較細(xì)的納米纖維，但其過程復(fù)雜。抽絲法是通過顯微控制器來控制一個(gè)直徑為幾微米的微型吸液管牽伸液滴來實(shí)現(xiàn)的。該方法對(duì)設(shè)備要求最低，缺點(diǎn)是其加工過程不連續(xù)。模板合成法指的是利用模板或模具獲得所需的材料或結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于使用模板不同，可以得到不同直徑的纖維。相對(duì)于前面所述幾種納米纖維的制造方法，靜電紡絲法是一種簡單有效制備納米纖維的方法，其制造裝置簡單，紡絲成本低廉，能夠制備長尺寸的、成分多樣化的、直徑分布均勻的納米纖維，而且可以

4、適用于大部分聚合物的連續(xù)電紡，到目前為止，已經(jīng)報(bào)道的已經(jīng)大約有100多種聚合物利用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)或者納米纖維[7]。靜電紡絲法制備的納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大、吸附性和過濾性強(qiáng)、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[8,9]，因此吸引了人們?cè)诒姸囝I(lǐng)域?qū)o電紡絲納米纖維技術(shù)進(jìn)行廣泛的研究。1靜電紡絲的裝置及工作原理1.1靜電紡絲的裝置靜電紡絲的典型主要由高壓裝置、噴絲裝置和接收裝置三部分構(gòu)成。其中，高壓裝置能提供0~50kV的電壓，大多數(shù)采用直流電源。噴絲裝置一般用帶有磨平針頭的注射器，注射器用來盛放前驅(qū)溶液。接收裝置一般為接地的金屬板。靜電紡

5、絲裝置如圖1所示。圖1靜電紡絲裝置圖1.2靜電紡絲的工作原理在靜電紡絲過程中，高壓裝置的一個(gè)電極插入注射管的前驅(qū)溶液中，另一個(gè)電極與接收裝置相連，開啟高壓裝置，聚合物溶液或熔體被加上幾萬至幾十萬伏的高壓靜電，從而在注射管與接地的接收裝置之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)力。由于液體粘滯力的存在，液滴停留在注射器的噴嘴上，隨著電場(chǎng)力的增大，液滴被逐漸拉伸成圓錐形，稱為Taylor錐[10]。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到某一臨界值時(shí)，電場(chǎng)力克服表面張力，帶電液體就會(huì)從泰勒錐的頂點(diǎn)噴射出來，形成帶電射流，射流在運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過一個(gè)不穩(wěn)定的拉伸過程并且溶劑不斷地?fù)]發(fā)，最終

6、固化以無序狀排列在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈[11]。靜電紡過程如圖2所示。圖2靜電紡過程示意圖2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析納米纖維主要是指在三維尺度上有兩維的尺寸處于納米范圍（1~100nm）內(nèi)的線（管）狀材料。目前制造納米纖維的方法有很多，如拉伸法、模板合成法、微相分離法、自組裝法、靜電紡絲法等。其中靜電紡絲法具有價(jià)格低廉、設(shè)備簡單、操作簡易、高效等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的納米纖維制備方法，也是目前能夠直接連續(xù)制備納米纖維的唯一有效方法。通過靜電紡絲法制得的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高、長徑比大、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，許多材料

7、包括天然聚合物、合成聚合物以及它們的混合物都可以通過靜電紡絲成功制備納米纖維，到目前為止，經(jīng)報(bào)道的已經(jīng)大約有100多種聚合物利用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)或者納米纖維。隨著納米纖維研究的迅速升溫，高壓靜電場(chǎng)紡絲技術(shù)又引起了人們對(duì)其深入研究的興趣，并在眾多領(lǐng)域?qū)o電紡絲納米纖維進(jìn)行廣泛地研究，目前，靜電紡絲納米纖維在過濾材料、藥物傳遞、傷口防護(hù)、骨架組織工程、航空航天及燃料電池材料等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2013年Datsyuk等采用靜電紡絲技術(shù)制備高導(dǎo)熱核-殼結(jié)構(gòu)的碳納米管-聚苯并咪唑復(fù)合納米纖維，當(dāng)復(fù)合纖維中碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94%時(shí)，

8、復(fù)合纖維的熱導(dǎo)率可增加近50倍。2014年Kim等以靜電紡碳化硅(SiC)納米纖維為增強(qiáng)體，全氟磺酸膜為基體，制備了SiC納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,該SiC納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常適合應(yīng)用于燃料電池材料。201