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通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维的研究进展[设计+开题+综述]

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通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 5 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 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 5 2006 ,47 ;1597-1603. [2]. Ming Wei , Junseok Lee , Bongwoo Kang , Joey Mead . Macromolecular Rapid Communications, 200500212;1127-1132. [3]. 吴佳林. 静电纺丝制备取向纳米纤维的研究进展。山东纺织科技，2010,51(4);48-50。 [4]. 苏好,杜晓松,蒋亚东,靖红军。静电射流技术制备纳米材料的研究进展。材料导报,2009, 23(11);85-89。 [5]. 山下羲裕，刘辅庭（译），山田（校）。静电纺丝制造纳米纤维的方法。合成纤维，2008, 37(2);50-52。 [6]. 吴佳林，周美凤，张锋。静电纺纳米纤维的研究历史、基本原理及影响因素。陕西纺织，2010，3；57-60。 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维

5 文献综述 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维的研究进展 摘要 静电纺丝技术是一种新的技术，它可制备出直径为纳米级的纤维。由于本征态导电

聚合物的难以加工性，静电纺丝制备导电聚合物的过程与普通聚合物的制备过程有显著的不同。本文综合介绍了静电纺丝制备纳米纤维的研究历史、基本原理及其影响因素。同时，重点介绍了静电纺丝制备导电聚合物纳米纤维的加工过程，并且对相应导电聚合物纤维的应用进行了介绍。 关键词 静电纺丝，纳米纤维，基本原理，影响因素

随着纳米纤维技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸，模板聚合、相分离、自组织和静电纺丝等，而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。 1 静电纺丝研究历史

静电纺丝可以认为是带电射流电雾化的一种变形［1］，当溶液的黏度较小时，射流在受到电场力的作用后破裂为许多细小的液滴，液滴的直径介于微米和纳米之间，目前电雾化技术主要应用于喷墨打印、喷漆、纳米离子的制备等领域；当液滴的黏度较大时，就会形成纤维。 静电纺丝的研究历史最早要追溯到19世纪末。1882年，Rayleigh认为带电液滴能够稳

定的条件是其带电量不能超过某一定值，这一数值称为Rayleigh极限［2］。1915年，Zeleny［3］介绍了调整液体的电荷与表面张力的比例关系，可以使喷嘴尖端的小液柱失稳，进而分裂为离子或雾滴。1964年Taylor以完全导电的液体为例，做出了开拓性的研究工作［4］，他认为液体静电雾化时，喷嘴尖端会形成一锥形液柱，称为泰勒锥(Tayler cone)。此外，静电纺丝技术在1930年就有了专利,是人们早已知晓的一项技术［5］。20世纪90年代以来以美国为中心盛行关于纳米纤维形成机理和应用方面的研究,近年来日本也对其予以极大的关注。近年来人们之所以对静电纺丝感兴趣，主要是因为与传统纺丝方法相比，该方法可以很容易的得通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 5 到连续的纳米级或微米级纤维，而该纤维在很多领域有着巨大的应用前景［6,7］。 2 静电纺丝基本原理 静电纺丝的基本装置由高压电源、微量泵、注射器、针头、收集装置五部分组成。其原理是对聚合物溶液或熔体施加几千到几万伏高压静电，当聚合物溶液或熔体内的电场力克服其表面张力时，在电场力作用下喷射形成一股稳定的射流，随着射流的牵伸与分裂，最后溶剂挥发或熔体固化后，高聚物纤维沉落在收集板上形成类似无纺布的微纳米纤维材料。 3 静电纺丝影响因素 静电纺丝是制备超细纤维的一种技术，因此在表征静电纺丝产品时，直径是需要考察的最重要的性质，另外还有产品结构和性能。影响纤维直径、结构和性能的因素很多，主要包括纺丝过程因素和纺丝溶液性质，这两方面在纺丝过程中发挥着重要作用。下面就静电纺丝工艺参数对纤维的影响作简要介绍： 3.1 过程因素 静电纺丝过程中，纺丝电压、纺丝距离、纺丝液流量、喷丝头内径、环境参数(温湿度与大气压)等都会对制备的纳米纤维产生直接的影响。比如在静电纺丝过程中，纺丝电压是一个非常重要的参数，它不仅在纺丝区域内形成纺丝电场，而且使纺丝液带电，这样随着电压的增加，纺丝液在喷丝头尖端经历从半球形——泰勒锥——射流的变化过程。随着电压增 大，电场强度增加，纺丝液表面电荷密度增加，射流将会得到更大的静电斥力导致射流更强的分裂和更大的飞行速度，从而产生更高的拉伸比，因此所纺纤维直径降低。 3.2 溶液性质 纺丝液性质包括浓度和黏度、纺丝溶剂、溶液表面张力引、高聚物分子量、添加物等属于溶液参数，其作用不亚于过程参数，将直接决定静电纺丝是否会发生并影响纤维性能。高聚物分子链间的相互纠缠以及分子间的相互作用是形成纤维的必要条件并且影响着纤维的性质。 4 静电纺丝制备方法 通常导电聚合物具有低分子量和刚性结构的特点，会妨碍通过静电纺丝技术制备纤维。因此，需要用各种各样的方法来处理导电聚合体使其能够达到静电纺丝的技术要求，这些方法概括如下： 4.1导电聚合物直接进行静电纺丝制备微纳米纤维 原则上，导电聚合物应该能直接进行静电纺丝，然而，由于导电聚合物的难溶性，只有通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维 5 少数可溶解的导电聚合物可以直接用静电纺丝制备纳米纤维，例如用掺杂硫酸的聚苯胺(PANI) ［8］，掺杂2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPSA) ［9］的聚苯胺化翠绿亚胺(EB)和掺杂十二烷基苯磺酸(DBSA) ［10］的聚吡咯(PPy)。尽管聚（P型苯乙烯）(PPV)是另一种重要的导电聚合物，但它的难溶性使其难以通过静电纺丝制备纳米纤维，但是Okuzaki［11］提出了一个独创的通过静电纺丝制备PPV纳米纤维的方法：首先将可溶解的PPV前躯体（聚对二甲苯四氢噻吩鎓氯化物)通过静电纺丝得到纳米纤维，随后在真空条件下加热到250℃并保持12h后，前躯体纤维转变成为PPV纳米纤维。 4.2导电聚合物和其它聚合物的混合物的共纺 导电聚合物和传统聚合物的混合物是更好的静电纺丝原料。传统聚合体可以辅助导电聚合体纤维的形成并且可以作为纳米纤维形成的支撑材料。然而需要说明的是，基体聚合物的选择和数量对最终产物的形态和性能起决定性作用，如果导电聚合物部分的量太少，则所得纤维的电导率较低，相反如果基体聚合物部分的量太少，则静电纺丝的过程将会变得异常困难。 在传统的聚合物里面，聚乙烯氧化物(PEO)是非常容易进行电纺的，因而广泛用于导电聚合物共混物的静电纺丝。通过改变导电聚合物和PEO在混合物中的比率，合成纳米纤维

的电导率和直径可以得到很好的控制［12］。另外，导电聚合物纳米纤维中的小孔可以由PEO填充［13］。因为静电纺丝后的PANI/PEO纳米纤维具有较大的比表面积和统一的直径，所以可以作为化学传感器用于检测乙醇和氨气。 4.3纤维模板法制备导电聚合物纤维 纤维模板法是一种制备同轴导电聚合物纤维的方法。静电纺丝聚合体纳米纤维为多孔导电聚合体无纺织物的形成提供了一个结实稳定的模板，目前，有两个方法常被用于在多孔材料表面制备导电聚合物，一个是气相聚合作用，另一个是溶液聚合作用。 4.3.1气相聚合(VDP) 在这个过程中，将包含具备聚合单体能力的氧化剂的模板基质放于一个充满气态单体的容器中。在模板的表面，气态单体被氧化成为导电聚合体。无机三价铁盐，例如FeCl3，是一种传统的氧化剂并且可以通过PEO链中氧原子和本身Fe3+的协调作用与PEO形成一种联合体。常见的方法描述如下：首先，通过静电纺丝制备包含FeCl3的纳米纤维，然后将上述

纳米纤维放置于气态叽咯中，叽咯单体被FeCl3氧化得到PEO/PPy纳米纤维［14、15］。

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静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展

静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展

Ｌｉ 等 ［１５］ 在 平 行 电 极 法 （ 见 ２．２） 的 基 础 上 进 一步改进接收基底， 他们采用简单的掩膜法制备了 图案化的电极， 电极沉积在绝缘体上， 如图 ５Ａ 所 示。这种方法可以一步制备除了平行纺丝外的复杂 结 构 ， 如 图 ５Ｂ 所 示 的 三 个 方 向 交 叉 的 织 布 结 构 。 通过改变电极的排列方式还可以制备其他形貌的图 案。
图 ２ 各种制备有序静电纺丝的方法
２．１ 转轴法 Ｍａｔｔｈｅｗｓ 等 ［１２］ 借 鉴 传 统 纺 织 工 艺 的 方 法 ，
在电纺装置中用一转速可调的转轴作为接收极， 落下的纤维缠绕在转轴上， 当转速合适时可以 得到平行于转速方向的纤维。通过这种方法， 他们制备了有序的胶原质纤维， 但排列效果不 是 太 好 。采 用 这 种 方 法 ， Ｃｈｅｗ 等 ［１０］ 制 备 了 排 列有序的生物可降解的纤维。作为一种操作简
２ 合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６
Ａ－ 纤维的受力分析示意图； Ｂ－ 纤维平行垂直于电极方向排列 ［１３］ 图 ３ 平行电极法
Ｋａｔｔａ 等 ［１１］ 受到 Ｌｉ 等平行电极方法的启发， 对转 轴做了一些改进。他们采用铜线外框转轮作为接收装 置 （ 如图 ４Ａ 所示） ， 纤维一方面可以随着转轮的转动 绕在转轴上， 另一方面每两个平行导线可以看作平行 电 极 诱 导 纤 维 排 列 。Ｋａｔｔａ 等 制 备 的 纤 维 排 列 程 度 较 Ｍａｔｔｈｅｗ 等有较大提高 （ 图 ４Ｂ） 。
Ａ－ 图案化电极； Ｂ－ 中心位置纤维的扫描电镜照片 ［１５］ 图 ５ 图案化电极法
２．５ 导电模板法 Ｚｈａｎｇ 等 ［１６］ 采用了一种图案化 的 导 电 模 板 作
为接收基底， 这种金属模板由导电金属线构成， 编 织成织物结构， 如图 ６Ａ 所示。电纺纤维会沉积在 图案化的接收基底上， 形成图案化的电纺纤维集合 体 （ 图 ６Ｂ） 。他们的实验结果表明， 金属线的宽度 和这种织物结构所形成的突起是制备图案化纤维的 关键因素。当金属线的宽度过大时， 电纺纤维无规 则排列； 当没有突起时不会形成图案化电纺丝； 设 计不同突起的图案， 可以得到不同相应形貌的纤维 图案。 ２．６ 磁纺法
静电纺丝技术的原理与纳米纤维制备方法

静电纺丝技术的原理与纳米纤维制备方法

静电纺丝技术的原理与纳米纤维制备方法静电纺丝技术是一种常用于制备纳米纤维的方法，通过利用静电力将聚合物材料从液态转变为纤维状，具有较高的纤维直径可调性和良好的纤维组织结构控制能力。

本文将介绍静电纺丝技术的原理以及常用的纳米纤维制备方法。

一、静电纺丝技术的原理静电纺丝技术是利用静电力将高分子溶液或熔融物质直接纺丝成纤维的一种制备方法。

该技术基于静电现象，通过将高电压施加于过程中的高分子溶液或熔融物，使其电荷不平衡，形成电场分布。

当电场强度超过材料的电离场强度时，分子将逐渐变成带电的纳米尺寸细丝。

最后，带电的纤维在电场的作用下逐渐伸长并凝固成固态纤维。

静电纺丝技术的关键参数包括高电压、喷丝间距和收集距离。

高电压可以产生强大的静电力，促使溶液中的聚合物形成细丝。

喷丝间距决定了纤维形成的方式和纤维直径。

收集距离可以影响纤维凝固形态和纤维排列结构。

静电纺丝技术的原理简单而直观，适用于制备各种类型的纳米纤维材料，因此在纳米材料制备领域具有广泛的应用前景。

二、常用的纳米纤维制备方法1. 单向静电纺丝法单向静电纺丝法是静电纺丝技术中最基本、最常用的制备方法之一。

在该方法中，高电压施加于旋转的喷丝头和静置的收集器之间，通过控制高电压和喷丝间距，可以得到直径均匀、纤维排列有序的纳米纤维。

2. 多向静电纺丝法多向静电纺丝法在单向静电纺丝法的基础上进行了改进，通过使用多根喷丝头和多个收集器，使得纤维的纺织方向更加多样化。

这种方法可以制备出多孔的纳米纤维薄膜，应用于过滤、分离和组织工程等领域。

3. 旋转盘静电纺丝法旋转盘静电纺丝法是利用旋转盘上的多个喷丝孔，将高分子溶液均匀喷洒在盘面上，通过旋转盘和静电作用将纤维逐渐形成。

这种方法制备的纳米纤维表面光滑均匀，适用于电子器件、传感器和催化剂支撑材料等领域。

4. 共喷纺丝法共喷纺丝法是在静电纺丝过程中，将两种或多种不同的高分子溶液或熔融物质通过不同的喷丝孔同时喷射到收集器上。

静电纺丝法制备纳米纤维及其应用进展

静电纺丝法制备纳米纤维及其应用进展

第29卷第6期2016年12月大学物理实验PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGEYol .29 No .6Dec .2016文章编号：1007-2934(2016)06-0022-08静电纺丝法制备纳米纤维及其应用进展王翠平，叶柳，李爱侠，张子云，戴鹏(安徽大学，安徽合肥230601)摘要：静电纺丝技术是采用物理方法制备一维采用纳米纤维的有效方法，它在大规模制备有序的、复杂的一维纳米材料方面具有很强优势。

除了制备一维纤维材料外，电纺丝技术还用于制备二维和 三维多孔结构的材料。

本文分为三部分，首先介绍了静电纺丝技术的原理和方法;然后综述了静电纺丝 技术在制备一维材料方面的研究进展，最后列举了静电纺丝技术在生物工程领域的应用。

关键词：静电纺丝;三维纳米结构;组织工程中图分类号：0 4-33 文献标志码：A D 〇l:10.14139/22-1228.2016.006.006近年来一维纳米结构（如纳米管，纳米棒，纳 米带等）材料因为其独特的性能（如，具有很大的 长径比和比表面积，具有表面尺寸效应，超顺磁性 等)在许多领域（如传感器，太阳能电池和纳米谐 振器等）得到了应用[1-5]。

一维的纳米电子器件 还具有检测灵敏度高，小尺寸效应和线栅偏振效 应等特性成为目前纳米电子学研宄的热点之一。

很多材料比如贵金属材料（金、银、铂等），高分子 (聚苯胺、聚吡珞，聚乙烯醇等），陶瓷（如BaTi 〇3，Li2Nb 〇3)，以及生物大分子等都被制成低维纳米材料，应用于各种新型器件及新的性能研究。

因 此，近年来人们不断探索各种方法用于制备一维 纳米材料，其中静电纺丝技术以其特有的优势，成 为研究的热点。

静电纺丝法早在上世纪三十年代 就由一位美国人提出的，是目前可以连续大量制 备微纳米纤维的有效方法，可以制备直径在在几 十纳米到几个毫米之间纤维材料。

1静电纺丝技术的原理近年来的研究已经证实，静电纺丝技术一般 来说包括三个步骤:（1)流体溶液喷射出来，沿着 直线方向延伸；（2)随着电动弯曲不稳定性的增 长，喷射流将会发生一定程度上的分化或分裂; (3)喷射流凝固成纳米纤维，并沉积在收集器上。

静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究

静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究

静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究聚合物纳米纤维膜是一种新型的材料，由于其具有优异的物理和化学性质而受到越来越多的关注。

目前，研究人员开展了大量的工作，以开发制备这种材料的新方法。

静电纺丝技术是一种被广泛应用于聚合物纳米纤维膜制备的方法。

该方法以高压静电场为驱动力，通过将聚合物分子从液态转变为固态，从而制备具有纳米级尺度的聚合物纤维。

本文将介绍静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的原理、优点以及应用。

一、静电纺丝技术的原理静电纺丝技术是指将含有聚合物溶液的“滴”，通过高压静电场的作用，使溶液从液态转变为纳米级尺度的聚合物纤维的过程。

该技术涉及两个相反的过程：传输和荷电。

在传输过程中，溶液从喷嘴中被喷出，形成溶液“滴”，然后通过高压静电场的作用，这些滴获得了荷电，移动到地面或由电极吸附。

在荷电过程中，因为这些荷电粒子被静电力所吸引，所以它们沿着高压电极向下运动。

当这些荷电粒子接近到一定距离，它们之间的静电引力就足以克服表面张力，形成纳米级尺度的聚合物纤维。

二、静电纺丝技术的优点制备聚合物纳米纤维膜的传统方法包括溶液浸渍、熔融拉伸等技术，但这些方法都存在着一些局限性，如工艺复杂、成本高等。

相比之下，静电纺丝技术具有如下优点：1.高效性：该技术可在较短时间内制备大量的纳米级聚合物纤维，并可实现连续性生产。

2.灵活性：静电纺丝技术可以制备出不同形态、大小和形状的聚合物纳米纤维。

3.高质量：该技术制备的聚合物纳米纤维具有高度纯度、尺寸一致性好和结构紧密等特点，使其应用广泛。

三、聚合物纳米纤维膜的应用聚合物纳米纤维膜由于其纳米级尺度的尺寸和优良的物理化学性质，在多个领域中都有着广泛的应用。

下面简要介绍其主要应用领域。

1.过滤和分离领域：聚合物纳米纤维膜由于其纤维间距非常小，同样尺寸的纳米级颗粒、蛋白质等大分子物质可以被过滤掉，这使其在液体过滤和气体过滤领域有广泛的应用。

2.生物医学领域：在不同细胞之间建造三维聚合物纳米纤维膜支架，使得细胞能够依附并形成新的组织，有利于修复受损的组织和器官。