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静电纺丝

1原理

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。

2静电纺丝影响因素

1,聚合物的分子量,分子量分布和分子结构(分支,线性等)

2,溶液性质(浓度,粘度,电导率,表面张力,液体流量等)

3,电动势大小

4,毛细管和收集屏幕之间的距离

5,环境参数(温度,湿度和室内空气流速)

6,收集装置的运动规律

7,喷丝口针头形状


3静电纺丝技术的发展


静电纺丝技术的起源

“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”,国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年,Formalas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,其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流,这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利,被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是,从科学基础来看,这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例,其概念可以追溯到1745年。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同,静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体,而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。这样,静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。

20世纪30年代到80年代期间,静电纺丝技术发展较为缓慢,科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上,发布了一系列的专利,但是尚未引起广泛的关注。进入90年代,美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。特别是近年来,随着纳米技术的发展,静电纺丝技术获得了快速发展,世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。此段时期,静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段:第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等;第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控;第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用;第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。上述四个阶段相互交融,并没有明显的界线。

 


静电纺丝技术现状
通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维,包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而,利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题。首先,在制备有机纳米纤维方面,用于静电纺丝的天然高分子品种还十分有限,对所得产品结构和性能的研究不够完善,最终产品的应用大都只处于实验阶段,尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题。其次,静电纺有机/无机复合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关,还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。如何制备出适合需要的、高性能、多功能的复合纳米纤维是研究的关键。此外,静电纺无机纳米纤维的研究基本处于起始阶段,无机纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途,但是,静电纺无机纳米纤维较大的脆性限制了其应用性能和范围,因此,开发具有柔韧性、连续性的无机纤维是一个重要的课题。

 


静电纺丝技术的应用
随着纳米技术的发展,静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术,将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

①在生物医学领域,纳米纤维的直径小于细胞,可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能;人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似,这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能;一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性,可作为载体进入人体,并容易被吸收;加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性,因此,其在生物医学领域引起了研究者的持续关注,并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。

②纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高,因而,降低纤维直径成为提高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外,还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点,使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。

③静电纺纤维能够有效调控纤维的精细结构,结合低表面能的物质,可获得具有超疏水性能的材料,并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用,必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料与基体材料的结合牢度等。

④具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚,从而影响其分散性和利用率,因此静电纺纤维材料可作为模板而起到均匀分散作用,同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性,还可以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应,提高催化效能。

⑤静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率,可增大传感材料与被检测物的作用区域,有望大幅度提高传感器性能。此外,静电纺纳米纤维还可用于能源、光电、食品工程等领域。


静电纺丝技术的发展方向

静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用,应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。通过不同的制备方法,如改变喷头结构、控制实验条件等,可以获得实心、空心、核-壳结构的超细纤维或是蜘蛛网状结构的二维纤维膜;通过设计不同的收集装置,可以获得单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等。但是静电纺丝技术在纤维结构调控方面还面临一些挑战:首先,要想实现静电纺纤维的产业化应用,就必须获得类似于短纤或者连续的纳米纤维束,取向纤维的制备为解决该问题提供了一条有效的途径,但是距离目标还有不少差距,今后的工作就要设法通过改良喷头、接收装置以及添加辅助电极等使纤维尽可能伸直并取向排列,获得综合性能优异的取向纤维阵列。其次,作为静电纺纳米纤维全新的研究领域—纳米蛛网的研究还在初期阶段,纳米蛛网的形成过程的理论分析和模型建立尚需深入研究。此外,要想提高静电纺纤维膜在超精细过滤领域的应用性能,就必须降低纤维的直径,如何将纤维平均直径降低到20nm以下是静电纺丝技术面临的一个挑战;要想提高纤维在传感器、催化等领域的应用性能,通过制备具有多孔或中空结构的纳米纤维来提高纤维的比表面积是一种有效方法,但仍需进一步的研究。

静电纺丝专用注射泵:

1)PUMP11 ELITE 注射泵    

2)PHD ultra微量注射泵