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静电纺丝技术的应用研究
作者：代琳欣
来源：《科技风》2016年第23期
摘要：近年来，纳米材料的研究成为一个热点问题，国内外针对静电纺丝技术开展了深
入的研究，与传统的分离与拉伸方式相比，静电纺丝开始成为现阶段制备纳米纤维的重要方式。本文主要针对静电纺丝技术的应用进行分析。
关键词：静电纺丝技术；应用；纳米材料
近年来，我国的材料研究发展迅速，纳米材料的迅速发展加促了静电纺丝的开发和应用。静电纺丝又称为电纺，它和传统的拉伸、相分离方法相较而言，在纳米纤维的提取上具有更为明显的有效性。本文主要针对电纺技术及其发展历史进行了阐述，对静电纺丝机和静电纺丝技术的进展及其应用进行了分析，最后指出了其发展方向。
1 静电纺丝技术
1.1 静电纺丝的基本原理
静电纺丝的形成过程为，在聚合物溶液上加以足够大的高压静电，使聚合物滴液在与材料表面接触的时候能够产生喷射细流。这些细流经过拉伸细化，与此同时经过弯曲、固化过程，沉积在物体表面形成纳米纤维膜。
1.2 静电纺丝的影响因素
影响静电纺丝的因素有多种，总结来说主要有三个方面：一方面从纺丝液的性质来看，静电纺丝的形成跟聚合物的分子量、纺丝液粘度和浓度、纺丝液的电导率以及弹性有关；从纺丝工艺参数来看，主要跟施加的电压大小和针头到收集板的距离以及纺丝液流量有关；从环境参数来看，静电纺丝加工环境的温度、湿度和空气流动速度都有关系。
1.3 静电纺丝的优缺点
静电纺丝法操作流程简单、可操作性较强，但是它具有以下缺点：静电纺丝要想取得相互分开的纳米纤维的长、短丝不是很容易。另外静电纺丝机的产量较低，生产出来的纳米纤维强度也较难达到用户满意。
2 静电纺丝机的应用
1）一种静电纺丝机是采用喷丝头与收集板垂直排布方式。此类纺丝机的结构主要是立式，它是静电纺丝里面最基础研究内容。
静电纺丝技术及其研究进展*杨恩龙 王善元 李 妮 赵丛涛 (东华大学纺织学院,上海,201620) 摘 要:静电纺丝是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法。概述了静电纺丝技术及其发展历程,静电纺丝射流的稳态和非稳态的研究成果。介绍了静电纺丝机、静电纺丝技术的新进展及静电纺纳米纤维膜的应用。最后指出静电纺丝的研究方向。 关键词:静电纺丝,纳米纤维,进展 中图分类号:TQ340.6;TS176 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2007)08-0007-05 近几年来,由于纳米材料研究的迅速升温,激起了人们对静电纺丝(又称电纺)进行深入研究的浓厚兴趣。和拉伸、相分离等方法相比,静电纺丝已成为制取纳米纤维最重要、最有效的方法。静电纺纳米纤维的发展历程见表1。 1 静电纺丝技术 1.1 静电纺丝的基本原理 使聚合物溶液或熔体带上高压静电,当电场力足够大时,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。带电的聚合物射流拉伸细化,同时弯曲、劈裂,溶剂蒸发或固化,沉积于基布上形成纳米纤维膜。 1.2 静电纺丝的影响因素 静电纺丝的影响因素列于表2。 1.3 静电纺丝的优缺点 静电纺丝法简单、易操作。但是有如下缺点:第一,静电纺丝难以得到彼此分离的纳米纤维长丝或短纤维;第二,目前静电纺丝机的产量很低;第三,静电纺纳米纤维的强度较低。 2 静电纺丝机 2.1 喷丝头与收集板垂直排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板垂直排布(立式)的静电纺丝 *国家自然科学基金资助项目(10602014) 收稿日期:2006-10-26 作者简介:杨恩龙,男,1980年生,在读博士研究生。主要从事静电纺纳米纤维的研究工作。 表1 静电纺丝的发展历程 年 份发 展 历 程 1934 Fo r mha ls申请了制备聚合物超细纤维的 静电纺丝装置专利[1] 1966 S i m ons申请了由静电纺丝法制备超薄、 超细非织造膜的专利[2] 1981 L arrondo等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔 融静电纺丝的研究[3] 1995 R eneker研究组开始对静电纺丝进行研 究。静电纺丝迅速发展[4] 1999 Fong等对静电纺丝纳米纤维串珠现象及 微观结构作了研究[5~6] 2000 Spivak等首次采用流体动力学描述静电 纺丝过程,并且提出了静电纺丝的工艺 参数。R eneker等研究了静电纺丝过程 的不稳定性[7~8] 2003 全面系统地研究静电纺丝超细纤维微观 形貌的影响因素、表征、过程参数的改 进,以及静电纺丝制取纳米纤维后通过 煅烧制备无机氧化物超细纤维等 2004~2006 开发静电纺纳米纤维的原料。多组分聚 合物的静电纺丝。静电纺丝和其他方法 结合开发新型纳米纤维。捷克利贝雷茨 技术大学与爱勒马可(EL M ARCO)公司 合作生产的纳米纤维纺丝机 纳米蜘蛛 问世 机[9],主要用于静电纺丝的基础研究。 2.2 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机 喷丝头与收集板水平排布的静电纺丝机(卧
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 * (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米 纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:0367-6358(2005)05-313-04 Electrospinning Technique and Its Application SHI Q-i song, YU Jian -xiang, GU Ke -zhuang, MA Chun -bao, LI U Ta-i qi * (De partment of Mate rial Scie nce and Enginee ring ,Be ijing Inst itute o f Petro -c he mic al Tec hnology ,Bei j ing 102617,China) Abstract :Electrospinning is a new technique,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper,the theory of electrospinning technique,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique,such as the preparation of micro nano tubes with controlled lengths and super -purification filtering materials,was reviewed. Key words :nanometer material;nanofiber;electrospinning;application 收稿日期:2003-11-14;修回日期:2004-01-12 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR -016002)作者简介:师奇松(1977~),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E -mail:liutaiqi@https://www.doczj.com/doc/ce17257811.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的方法 [1-3] 。 1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是Taylor 锥。当电场力
探讨静电纺丝技术的研究进展 摘要：静电纺丝工艺是目前能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，具有 工艺简单、操作方便、制造速度快等优点，在医学和环保等领域有广泛应用。介 绍了近年来静电纺丝技术及其应用的研究进展，对静电纺丝的原理、影响因素等 方面进行了综述，对静电纺丝技术在未来的应用提出展望。 关键词：静电纺丝；纳米纤维；进展 引言 纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100nm的超微细纤维。它具有比表面 积大、孔隙率高等特点，因而可广泛应用于高效过滤材料、生物材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域。20世纪90年代纳米技术研究的升温，使 纳米纤维的制备迅速成为研究热点。静电纺制备聚合物纳米纤维具有设备简单、 操作容易等特点，是目前为止制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。 1静电纺丝 静电纺丝设备的简图如图1所示，主要由3部分组成：高压电源、喷丝头和 纤维收集装置。一般采用直流电源供应高压电，而不是交流电源。静电纺丝所需 的高压电为 1～30kV。注射器（或者移液管）将溶液或熔体输送到其末端的喷丝 头处。喷丝头是非常细的金属管且装有电极。收集装置或接收板用于收集纳米纤维，通过改变收集装置的几何尺寸与形状，可调整纳米纤维的排列形态。 2静电纺丝技术的原理 早在1882年，Ｒaleigh的研究发现，带电的液滴在电场中不稳定，进入电场之后，由于 电场力的作用，容易劈裂成较小的液滴。Taylor的研究表明，带电的液滴通过喷丝头进入电 场以后，在电场力以及液体表面张力的共同作用下，液滴逐渐被拉长，形成一个锥状体（Taylor锥），并确定其角度为49.3°。 静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体被挤压到喷丝头，由于电场力和表面张力的作用， 在喷丝头处形成Taylor锥，随着纺丝液不断的被推入电场，纺丝液便会从Taylor锥尖端喷出，在电场中受电场力的作用而被继续拉伸，当射流被拉伸到一定程度时，便会克服表面张力， 发生非稳定性弯曲进而被拉伸并分裂成更细的射流，此时射流的比表面积迅速增大而使溶剂 快速挥发，最终在收集装置上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。 3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。 现有的研究结果表明，在静电纺丝过程中，影响纤维性能的主要工艺参数主要有：聚合 物溶液浓度、纺丝电压、固化距离（喷嘴到接丝装置距离）、溶剂挥发性和挤出速度等。 （1）合物溶液浓度 聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张 力增大而减弱。通常在其它条件不变时，随着聚合物溶液浓度的增加纤维的直径也增大。 （2）纺丝电压 随着对聚合物溶液施加的电压增大，体系的静电力增大，液滴的分裂能力相应增强，所 得纤维的直径趋于减少。 （3）固化距离 聚合物液滴经喷嘴喷出后，在空气中伴随着溶剂挥发细流中的同时，合物浓缩固化成纤维，最后被接丝装置接受。对于不同的体系，固化距离对纤维直径的影响不同。例如，对于 聚苯乙烯（PS）/四氢呋喃（THF）体系研究表明，改变固化距离，对纤维直径的影响不明显。
TiO2纳米纤维薄膜的制备及其光催化研究杭州师范大学材料与化学化工学院应化081班 应用化学专业林洁指导老师：叶映雪 摘要二氧化钛是对光催化非常有用的最好半导体光催化剂中的一种。在这篇文献中，我们通过快速淬灭的静电纺丝处理过程来制备二氧化钛纳米纤维薄膜。制备的薄膜由连续的并且多孔的锐钛矿二氧化钛纳米纤维组成，该纳米纤维的直径大小为60-115nm。同时，我们得到了一种最佳的淬灭方法。光催化测量研究表明，锐钛矿TiO2纳米纤维薄膜的光催化效率为72%，这远远高于锐钛矿TiO2薄膜的光催化效率（44%）。我们认为，大的而且特殊的表面积大大地提高了光催化反应性能，同时，较好的形状保留特性使其具有了很好的恢复性和实用性能。在这里，我们将讨论其对环境净化的潜在应用。 关键词纤维技术静电纺丝纳米材料纳米纤维光催化活性 1.引言 由于二氧化钛具有很高的光活性、久耐光性、化学和生物惰性、机械稳固性和价格低廉等优点，其过去常常被认为是可作为光催化[1]的最好半导体光催化剂中的一种。由于光催化反应主要发生在催化剂的表面，高的表面积和体积比对于增加分解速率具有非常重要的意义。TiO2纳米粒子和纳米晶状薄膜已经展示了非常高的光催化活性[2,3]。就这些形式的TiO2而言，虽然已经取得了很大进展，但是纳米粉末具有很低的恢复性和回收利用性限制，纳米薄膜具有很小的接触面积，故此将其用于商业用途还存在着很大瓶颈。纳米纤维有望解决这些问题，因为其结合了纳米粉末和薄膜两者的特点，如连续性和容易制备成多孔透气的纳米纤维薄膜，同时又是由纳米晶体构成的[4]。然而，据我们所知，先前的研究主要聚焦于利用静电纺丝制备技术制备TiO2纳米纤维[5,6]，虽然在250nm TiO2纤维[16]方面已经做了很多工作，但是对于直径小于100nm的TiO2纳米纤维的光催化性质却只有非常少的经验研究。 制备TiO2纳米粉末[7,8]\、纳米管[9]和纳米线[10]的方法有很多种，但是用于制备TiO2纳米纤维却仅仅只有几种，如静电纺丝技术[5]\、水热法[11]等等。其中，静电纺丝技术可用于制备直径从几十到几百纳米[12]连续变化的纤维方面，而且已经成为了一种成熟的方法，从而很容易得到用于水净化的多孔透水纳米纤维薄膜。 在这篇文献中，通过使用快速淬灭过程的静电纺丝处理技术以制备TiO2纳米纤维纤维
静电纺丝技术及其应用 师奇松, 于建香, 顾克壮, 马春宝, 刘太奇 3 (北京石油化工学院材料科学与工程系,北京102617) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米。介绍了电 纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米Π纳米管子、超净纳米过滤材料等。关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝;应用中图分类号:TS 102.5 文献标识码:A 文章编号:036726358(2005)052313204 Electrospinning T echnique and Its Application SHI Qi 2s ong , Y U Jian 2xiang , G U K e 2zhuang , MA Chun 2bao , LI U T ai 2qi 3 (Department o f Material Science and Engineering ,Beijing Institute o f Petro 2chemical Technology ,Beijing 102617,China ) Abstract :E lectrospinning is a new technique ,which can be used to prepare nanofibers with a diameter down to 1nm.In this paper ,the theory of electrospinning technique ,the equipments for preparing a electrospun fiber and the technological parameters affecting the properties of electrospun fibers were introduced.The new development of the applications of electrospinning technique ,such as the preparation of micro Πnano tubes with controlled lengths and super 2purification filtering materials ,was reviewed. K ey w ords :nanometer material ;nanofiber ;electrospinning ;application 收稿日期:2003211214;修回日期:2004201212 基金项目:北京市组织部优秀人才启动经费(BZ 00172002),北京市人事局留学人员科技活动择优资助项目(BR 2016002)作者简介:师奇松(1977～),女,讲师,主要从事纳米纤维、相变材料的研究。E 2mail :liutaiqi @https://www.doczj.com/doc/ce17257811.html,. 纳米纤维主要包括两个概念:一是严格意义上 的纳米纤维,是指纤维直径小于100nm 的超微细纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中,对纤维进行改性,也就是我们通常意义上的纳米纤维。纳米纤维有以下几种制备方法:静电纺丝法、海岛形双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、聚合过程中直接制造直径纳米纤维,以及采用直接纺丝或后整理方法将纳米粉体材料与纤维复合,制备纳米纤维的 方法[1-3] 。1 静电纺丝技术 由于超细纤维的优良性能,人们对其制造方法进行了广泛的研究,但是用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm 的纤维。而静电纺丝方法则能够纺出超细的纤维,直径最小可至1nm 。1.1 静电纺丝的成形工艺 静电纺丝技术与传统纺丝技术有着明显的不 同,即静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。图1是静电纺丝装置示意图。如图所示,在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电,从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时,将在表面产生电流。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样,当电场力施加于液体的表面时,将产生一个向外的力,对于一个半球形状的液滴,这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时,带电的液滴就悬挂在毛细管的末端并处在平衡状态。随着电场力的增大,在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状,这就是T aylor 锥。当电场力
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，
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
第33卷第1期明胶科学与技术2013年3月T he Sci ence and T echno l ogy of G e l a t i n V01．33．N o．1 M a r．2013． 明胶静电纺丝的研究进展 卢伟鹏张兵+郭燕川” 中国科学院理化技术研究所，北京，100190 摘要：作为天然高分子之一的明胶无毒无味，具有优异的生物相容性及生物可降解性。利用静电纺丝技术制备的明胶纳米纤维膜材料能最大程度地仿生天然细胞外基质的胶原蛋白结构，因此在生物医用材料领域具有广泛的应用，引起了国内外学者的普遍关注。本文介绍了明胶静电纺丝装置、工艺的研究进展，同时总结了明胶静电纺丝纳米纤维膜材料在生物医疗领域内的应用研究情况，并展望了明胶静电纺丝工艺与明胶纳米纤维膜材料的发展趋势和研究方向。 关键词：明胶；静电纺丝；纳米纤维；进展 静电纺丝技术(El ect r os pi nni ng f i ber t e ch—ni que)是指带电的高分子溶液(或熔体)在静电场力的作用下拉伸变形，再经溶剂挥发(或熔体冷却)而固化，从而获得纳米纤维的工艺。静电纺丝这一技术最早在1934年由美国For m hal s提出¨．2J。1966年，Si m ons发明了一种电纺装置，制备出超薄的无纺布∞J。1981年M anl ey和La=ondo利用静电纺丝将聚乙烯和聚丙烯熔体制备成连续纤维H“J。20世纪90年代初，美国阿克伦大学R ene ker课题组对该技术进行了进一步研究，利用静电纺丝技术制备了多种聚合物直径较小的纤维，推动了静电纺丝技术的发展o7，8|。近十年来随着对纳米材料的广泛应用及独特性能的开发，静电纺丝技 }e-m a i l：Z hangbi ng@m ai l．i pc．ac．cn {}e-m ai l：Y anchuanG uo@m ai l．i pc．ac．cn 术的实验和理论工作也得到了深入的研究。目前已有几百种聚合物通过静电纺丝技术制备出超细纤维材料，其中包括合成的可降解聚合物，例如聚乳酸、聚乙交酯、聚氧化乙烯、聚己内酯等及其共聚物，天然高分子如蚕丝蛋白、纤维蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸、D N A 等。天然高分子在生物相容性和生物可降解性方面比合成高分子具有更大的优势，更适合生物医疗方面的应用，受到国内外学者的青睐。 明胶是由动物体内的胶原蛋白水解制备而成，其氨基酸组成和胶原相似，具有良好的生物相容性、可降解性以及低免疫原性∽。11|。因此，明胶在国民的生产生活中应用具有重大的意义。目前常用的明胶加工手段(冻干、涂布、浸渍等)制备出各种明胶产品，例如明胶海绵、明胶膜、胶囊、胶片，其不具有纳米结构，因此产品在生物相容性、生物可降解性上具有一定的缺陷，造成其机械性能、防潮、抗湿、抗菌方面性能的降低；同时也影响明胶优良生物活性的发挥。利用静电纺丝技术，可简单快捷地制备具有纳米结构的纤维膜材料。从结构上讲，其具有明显的小尺寸效应，大的比表面积和超分子的排列效果。另外，明胶纤维膜材料表面形成很多微小的二次结构，这与细胞外基质的结构类似，更接近于生物体的结构尺寸；从性能上讲，由于其特殊的纳米结构，纤维膜材料具有很强的吸附力、良好的过滤性、阻隔性、粘合性、保湿性、良好的生物相容性及生物
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
静电纺丝原理研究进展 薛聪,胡影影,黄争鸣* (同济大学航空航天与力学学院,上海200092) 摘要:纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,其中同轴共纺技术由于能制备芯2壳(core2shell)结构的纳米纤 维,也越来越引起人们的关注。本文介绍了基于电流体动力学的静电纺丝原理,讨论了静电纺丝相关原理研究 进展,包括Taylor锥与喷射,纳米纤维的弯曲非稳定性,高聚物溶液P熔融体流动非稳定性,两相流流型及其转 换,高聚物两相流流型及其转换,非牛顿流体流动非稳定性以及两种非牛顿流体分层流动等,最后指出了尚待 解决的一些问题。 关键词:静电纺丝;流体动力学;非牛顿流体;两相流 引言 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。到了20世纪80年代,才有人开始对该技术进行大量的实验和理论研究。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,主要是从事化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝,但显而易见的是,电纺过程中涉及了大量的流体动力学方面的内容,因此也受到了力学界的关注。 早在上世纪60年代,电纺过程中有关流体动力学方面的研究就已经开始了[3]。由于静电纺丝所使用的溶液或熔融体大多为非牛顿流体,因此随着流体力学研究的不断深入,特别是非牛顿流体相关研究的深入,推动了电纺理论的发展。近期,一种新的电纺方法)))同轴电纺及其紧密相关的同轴射流技术,引起了人们极大的关注[4~8],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[9],因此对同轴电纺理论研究同样引起了包括力学家在内广大学者的极大兴趣。相比于传统单纺,同轴共纺的流体动力学问题更多也更复杂,并且如何将现有的研究成果与同轴共纺结合起来,需要广大学者进一步的研究和探讨。本文重点介绍了电纺中流体动力学的研究成果及进展,以期对该方面的研究现状和未来发展趋势有一个较好的认识。 本文首先介绍静电纺丝原理,包括Taylor锥与喷射、纳米纤维的非稳定性、高聚物溶液或熔融体在毛细管中流动的非稳定性,然后介绍了同轴电纺和单纺之间的异同、微重力条件下两相流流型与转换、非牛顿流体两相流流型与转换以及两种非牛顿流体分层流动非稳定性相关研究,最后为小结。 1静电纺丝实验装置与基本原理 111电纺过程 电纺装置包括:高压电源,溶液储存装置,喷射装置(如内径1mm的毛细管)和收集装置(如金属平板、铝箔等)。图1为本实验室所用的单纺装置。 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基金项目:国家自然科学基金(50773054、10402031); 作者简介:薛聪(1980-),男,硕士研究生,主要从事同轴静电纺丝制备透光复合材料的研究; *通讯联系人:E2mail:huangzm@https://www.doczj.com/doc/ce17257811.html,.
知识介绍 收稿:2011-06-02;修回:2011-06-27; 基金项目:天津市自然科学基金(11JCYBJC02500); 作者简介:侯成伟:男,1987年生,硕士,主要研究方向为功能非织造材料开发与应用。通讯联系人:E -mail :taky hou 2006@https://www.doczj.com/doc/ce17257811.html, 静电纺丝理论模型的研究进展 侯成伟1,蔡志江1,2＊ (1.天津工业大学纺织学院,天津 300160; 2.先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津工业大学,天津 300160) 摘要:静电纺丝技术是制备纳米纤维最直接、最有效的方法之一,其生产过程简单经济从而成为世界研究 的热点。但是由于静电纺丝过程的复杂性,导致其研究一直处于实验阶段。如何完善数学、力学等理论模型是 静电纺丝研究的基础问题,对静电纺丝工艺参数和设备制造有着重要的意义。本文论述了国内外静电纺丝理 论模型的研究现状和进展,重点介绍了静电纺丝射流理论模型的研究及需要解决的理论问题,展望了静电纺丝 理论模型研究的发展前景。 关键词:静电纺丝;理论模型;射流 引言 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法,它是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动拉伸变形,经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,得到纳米级的纤维。由于其在化学、物理性质方面表现出特异性,因此被广泛地应用于组织工程、药物控释、制备过滤材料和功能纳米管模板等方面[1～3] 。 静电纺丝包括两个典型的阶段。第一个阶段聚合物射流在静电力、重力等作用下被平稳拉伸加速,只做单轴拉伸运动,并且射流的形态不随时间的变化而改变,通常被称为“稳定运动”阶段;第二个阶段射流开始弯曲并发生鞭动,在到达收集板之前经历了一段“不稳定运动”过程,这种不稳定通常被称为“鞭动运动”阶段。静电纺丝过程十分复杂,涉及到物理学﹑化学和化学工程的不同分支,主要包括静电学﹑电流体动力学﹑流变学﹑空气动力学﹑湍流﹑固-液表面的电荷输运﹑质量输运和热量输运等等[4]。目前关于静电纺丝技术的研究主要侧重于各种聚合物的静电纺丝方法和工艺,对于静电纺丝射流的模型建立研究相对较少,但完善的理论模型对静电纺丝工艺参数以及设备的制造有着重要的意义。因此,正确把握静电纺丝中的各种关键因素,建立较为精确完整的数学﹑力学等模型是静电纺丝研究中的基础问题。本文主要对近年国内外静电纺丝模型方面的研究进行综合评述。1 静电纺丝射流理论模型研究 1.1 稳态射流理论模型 对于静电纺丝中的稳定阶段的理论模型研究,可追溯到20世纪60年代。Taylo r [5]首次用数学表达式描述了液滴在毛细管口的平衡状态,并提出了静电系数这一概念。 V 2C =4H 2L 2In 2L R -32(0.114πγR )(1) 式中:V C 为电压;H 为毛细管到地面的距离;L 为毛细管的长度;R 为毛细管的半径;γ为液体的表 永康乐业静电纺丝设备ｗｗｗ．ｕｃａｌｅｒｙ．ｃｏｍ
开题报告 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 一、选题的背景与意义 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维是今年来发展起来的一项新的技术，然而由于导电高分子具有不溶，不熔的特点，利用静电纺丝技术制备导电聚合物纤维过程中遇到了许多困难，主要的问题在于：第一，导电聚合物刚性结构的特性使得静电纺丝过程难以进行；第二，大多数关于静电纺丝制备导电聚合物纤维的研究和应用仅仅处于实验室阶段，因此，必须通过更加深入的研究来探索静电纺丝技术制备聚合物纤维的最科学、最有效的方法，这将作为一个刺激，来实现在工业中大规模生产可控、可重复利用的静电纺丝聚合体纤维。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 综述利用静电纺丝技术制备导电聚合物纳米纤维的方法及相应的导电聚合物纤维的用途，综合对比各种方法的优缺点。 制备聚2乙烯基吡啶纳米纤维，利用它作为模板制备聚吡咯纳米纤维，尝试新的合成导电聚合物纳米纤维的方法。 三、研究的方法与技术路线： 合成聚2乙烯基吡啶，将2-乙烯基吡啶在引发剂存在聚合，产生聚2-乙烯基吡啶。 将聚2-乙烯基吡啶同氯金酸混合后，通过静电纺丝直接在高压下纺成纳米纤维。 上述纳米纤维在吡咯蒸汽中进行气相聚合，制备成核壳结构的聚吡咯纳米纤维。四、研究的总体安排与进度： 2010.07.08至2010.07.11：翻译文献，熟悉实验流程，设计实验步骤； 2010.07.12至2010.08.10：通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维；2010.11.08至2010.12.25：完成文献综述，文献翻译和开题报告； 2011.04.18至2011.05.08：撰写论文，准备答辩； 2011.05.12至2011.05.19：论文答辩。 五、主要参考文献： [1].Ioannis S. Chronakis , Sven Grapenson , Alexandra Jakob . Science Direct
250 CPCI 中国石油和化工 石油工程技术 静电纺丝技术应用 王市伟 （郑州大学力学与工程科学学院 河南郑州 450001） 摘 要：基于电纺的纤维的许多优点，如高比表面积、高的孔隙率以及可以通过调控溶液和工艺参数得到预期的纤维形貌和力学性能，静电纺丝纤维在诸多方面有广泛的应用。 关键词：静电纺丝 性能 应用 1 组织工程 组织工程是一个多学科领域，涉及工程和生命科学的原理。为生物替代品的发展，也为恢复、维护或改善组织提供条件。生物材料是一个新兴的研究领域，在多方面的研究中起着举足轻重的作用。例如在组织工程中作为细胞生长、增殖的基质，并有利于三维新组织的形成。与其他纤维形成的过程如自组装和相分离技术相比，静电纺丝提供了一种更简单和更具成本效益的手段，用于生产具有相互连接的孔隙结构和纤维直径处在亚微米尺度的纤维支架。 2 过滤 静电纺丝方法制备的无纺产物已成功用于高性能的空气过滤器。纳米纤维膜可以有效地去除空气中直径在1μm-5μm 间的颗粒。这不仅靠物理截留机理也靠空气过滤器中的电动捕捉。聚合物纳米纤维的静电电荷也会改变粒子的静电吸引能力。不通过增加压降，而是将将纺丝和充电结合可以提高过滤效率。过滤效率与纤维细度密切相关，所以这是考虑过滤性能的重要方面。一般情况下，随着过滤膜厚度的减小和外加压力的增加，过滤器的效率呈线性增加。在纤维直径小于0.5μm 的情况下，保持相同压降，过滤效率有可能增强。 3 生物传感器 生物传感器，通常包括生物功能膜和传感器。已被广泛应用于环境、食品和临床。具有先进的微制造和信号处理技术的现代生物医学传感器正变得越来越精确和廉价。静电纺丝纳米纤维膜已经获得了极大的关注。其独特的大表面积的特点促进了它在传感器上的应用，主要因为增大表面积可以提高电导传感器灵敏度。较大的表面积可以吸收更多的气体进行分析，使得传感器的电导率变化更加明显。以丝素膜为基础的生物传感器已被广泛用于分析各种物质，如葡萄糖、过氧化氢和尿酸。 4 能源发电 高分子导电膜在许多方面都有应用前景，如静电耗散、腐蚀保护电位、电磁屏蔽、光电器件和微型电子器件或机器的制造如肖特基结，传感器和执行器等。因为电化学反应的速率与电极的表面积 成正比。导电纤维膜也用于开发高性能的电池和聚合物电解质膜燃料电池，由于其较高的孔隙率和本身的大面积。聚合物电池的导电纤维也有许多特性，例如不漏液、高维灵活性和单位重量的能量密度高。 5 化妆品 有无添加剂的电纺纳米纤维膜，作为皮肤护理的化妆品被运用于许多方面。如皮肤愈合、皮肤清洁或其他治疗和医疗用途。静电纺丝纳米纤维面膜具有高表面积，有利于更好的使用，也加快了添加剂向皮肤的渗透效率。静电纺丝制成的美容护肤面膜可以无痛且直接地与三维形态的皮肤进行贴合，为皮肤提供治疗或保健。为了皮肤的健康与美容，护肤因子可以渗透到纤维膜中制成面膜。由于孔径小和比表面积大，静电纺纳米纤维面膜已经具有很大的前景。 6 未来前景 为了改善电纺纤维的适用性，各种创新的静电纺丝技术得到了应用。包括同轴静电纺丝、混合静电纺丝、核壳型静电纺丝、吹塑辅助型静电纺丝等。最近，将纳米纤维膜用于组织工程支架引起了广泛的兴趣。纳米纤维支架相比于宏观支架可以更好地模拟细胞外基质并提供三维环境。因此，静电纺丝纳米纤维支架在未来的组织工程中具有巨大的应用潜力。有研究正在对纤维纤维的性能进行改善，并且会扩大这个范围。在未来，电纺纳米纤维有希望得到更广泛的应用。 参考文献：[1]李蒙蒙，朱瑛，仰大勇，蒋兴宇，马宏伟.静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展[J].高分子通报，2010，5(9)：42~50. [2]覃小红，王善元.静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景[J].高科技纤维与应用，2004，29(2)：28~32. [3]Eduard Zhmayev ，Huajun Zhou ，Yong Lak Joo. Modeling of non-isothermal polymer jets in melt electrospinning[J].Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics ，2007，153 (2)，95~108. 作者简介王市伟，男（汉），河南人，硕士生导师，主要从事聚合物加工新方法及高性能化研究。 *本研究得到河南省基础与前沿技术研究计划项目（152300410033）。
静电纺丝技术以及静电纺丝纳米纤维在不同领域的应用本文内容主要参考了夏幼南教授的一篇综述文章[1],本人只是自己语言重新组织了一下他的文章内容，并在此基础上加入了一些个人的理解。基于上述原因，在此向夏幼南老师表示特别感谢。 1. 纳米静电纺丝技术发展的历史 静电纺丝技术又简称静电纺丝或者电纺丝，其发展历史最早可以追溯到1600年,William Gilbert 在存在外部电场的情况下观察到了一个锥形水滴[2]。随后在1887年，Charles Boys 利用一种粘弹性的液体通过静电纺丝制备出了纳米纤维[1]。1938年，静电纺丝纳米纤维被用于制造空气过滤装置的过滤网芯，静电纺丝纳米纤维首次得到了应用[1]。从1938年至今，静电纺丝技术不断发展并逐渐走向成熟，如今已经被应用在了各个领域，极大的推动了科学研究和工业生产的进步与发展[3,4]。 2. 纳米静电纺丝技术 2.1. 静电纺丝技术的原理 图1. 静电纺丝装置示意图[5] 静电纺丝技术是指聚合物熔体或者溶液在高压静电场的作用下形成纤维的
过程。静电纺丝技术装置主要由三部分组成，分别是高压电源，喷丝头以及接收板（图1.）。其中电源可以是直流电源，也可以是交流电源，不同类型的电源对纳米纤维的形成有一定的影响，这里不再详细介绍。喷丝头可以使用带有注射器针头的塑料管、金属管及玻璃管等，喷丝嘴一般为0.1~1 mm。接收板用来接收经溶剂挥发或者熔体固化后所形成的聚合物，一般采用导电金属板、硅片及导电玻璃等。具体使用过程中，金属板表面要用锡纸、纺布等包裹起来，方便转移纳米纺丝并防止接收板被污染或者被弄脏[6]。 电源的两极分别接在喷丝头和接收器上，在高压静电纺丝的过程中，溶液或者熔融高分子表面带上了电荷并产生了电场力，溶液的表面张力与电场力方向相反。随着电压的增大，电场力大于表面张力时，带电溶液从喷丝口喷出，从而形成喷流。喷流在空气中运动的过程中，经溶剂挥发，降温冷却等过程逐渐固化，最后被收集于接收器上。 图2. 静电纺丝纳米纤维所受横向力示意图[7] 图3. 纳米纤维弯曲运动示意图[8]
同轴静电纺丝技术及其应用 图中数据表明： 1.2012年发表的电纺丝文献中，同轴静电纺丝相关文献仅占总数的3.54%。 2.在发表的42篇同轴静电纺丝相关文献中，中国有21篇，占50%。说明国内对这一领域的关注度正在提高。 3.以下是对同轴静电纺丝相关文献的摘要及总结，供读者参考。 传统的静电纺丝设备都是使用单一的毛细管状喷头喷丝，因此通常用于制备实心且表面光滑单一组分的纳米纤维，但是这种方法只能得到单一材料的纳米纤维，且存在缺乏表面特异性、力学性能较差、降解速率难以控制等问题，无法得到具有多种功能性结构的复合材料，应用范围较窄，很难应用于生物医学组织工程等领域。于是开始做同轴静电纺丝，它是在传统静电纺丝技术上发展起来的新方法，单步即可制备连续的核—壳和中空结构纳米纤维。同轴静电纺时，将核层和壳层材料的溶液分别装在两个不同的注射器中，喷丝系统由两个同轴但是不同内径的毛细管组成，在高压电场作用下，外层液体流出后与核层液体汇合，固化前两种液体不会混合到一起。壳层液体经高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面讲产生强大的剪切应力，核层溶液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，弯曲甩动变形并固化成为超细同轴复合纳米纤维。若将核层材料通过加热或溶解去掉，留下壳层材料，即得到中空纤维。2002年国外的Loscertales发明了第一台同轴静电喷雾设备，并成功应用该技术将水溶性药物包覆于胶囊里。2003年，孙（SUN）等在国内最早通过同轴静电纺丝技术制备出核—壳结构纳米纤维并指出这种核—壳纤维可以应用于过滤器、光学以及微电子学等领域，这可以说是国内的同轴静电纺丝技术的研究首开先河。随后，各个研究组通过改变溶液、溶液浓度以及喷丝头直径、纺丝条件等，获得了可应用于不同领域的、不同直径的纳米结构纤维，通过查阅各种文献以及自身研究经验，在技术上也有了很大的改进。例如，改变喷丝头结构，由原来的单通道纳米纤维发展到多通道纳米纤维。赵（Zhao）等在原来单根内管的基础上，采用数量连续增加的方法，制备出数量可控的多通道微/纳米管，通道数量可多达5-6个。