靜電紡絲技術(shù)的工藝原理及應(yīng)用

精品文檔 1歡迎下載 靜電紡絲技術(shù)的工藝原理及應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)的工藝原理及應(yīng)用 靜電紡絲技術(shù)是目前制備納米纖維最重要的基本方法 這一技術(shù)的核心是使帶電 荷流體在靜電場中流動與變形 最終得到纖維狀物質(zhì) 從而為高分子成為納米功能材 料提供了一種新的加工方法 由于納米纖維具有許多特性 例如纖維纖度細(xì) 比表面 積大 孔隙率高 因而具有廣泛的應(yīng)用 1 靜電紡技術(shù) 靜電紡是一項(xiàng)簡單方便 廉價而且對環(huán)境無污染的紡絲技術(shù) 早在 20 世紀(jì) 30 年 代 Formals A 就已經(jīng)在其專利中報(bào)道了利用高壓靜電紡絲 但是直到近些年 由于對 納米科技研究的迅速升溫 激起了人們對這種可制備納米尺寸纖維的紡絲技術(shù)進(jìn)行深 入研究的濃厚興趣 1 1 靜電紡技術(shù)的基本原理 靜電紡絲技術(shù) Electrospinning fiber technique 是使帶電的高分子溶液 或熔 體 在靜電場中流動變形 經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化 從而得到纖維狀物質(zhì)的一種 方法 對聚合物纖維電紡過程的圖式說明見圖 1 靜電紡絲機(jī)的基本組成主要有3個部分 靜電高壓電源 液體供給裝置 纖維收集 裝置 靜電高壓電源根據(jù)電流變換方式可以分成DC DC和AC DC兩種類型 實(shí)驗(yàn)中多 用IX DC電源 液體供給裝置是一端帶有毛細(xì)管的容器 如注射器 其中盛 有高分子溶液或熔體 將一金屬線的一端伸進(jìn)容器中 使液體與高壓電發(fā)生器的正極 相連 纖維收集裝置是在毛細(xì)管相對端設(shè)置的技術(shù)收集板 可以是金屬類平面 如錫紙 或 者是旋轉(zhuǎn)的滾輪等 收集板用導(dǎo)線接地 作為負(fù)極 并與高壓電源負(fù)極相連 另外隨 精品文檔 2歡迎下載 著對實(shí)驗(yàn)要求的提高 液體流量控制系統(tǒng)也被漸漸的采用 這樣可以將液體的流速控 制得更準(zhǔn)確 電場的大小與毛細(xì)管口聚合物溶液的表面張力有關(guān) 由于電場的作用 聚合物溶液表面會產(chǎn)生電荷 電荷相互排斥和相反電荷電極對表面電荷的壓縮 均會 直接產(chǎn)生一種與表面張力相反的力 當(dāng)電場強(qiáng)度增加時 毛細(xì)管口的流體半球表面會 被拉成錐形 稱為Taylor錐 進(jìn)一步增加電場強(qiáng)度 是用來克服表面張力的靜電排斥 力到達(dá)一個臨界值 此時帶電射流從Taylor錐尖噴射出來 帶電后的聚合物射流經(jīng)過 不穩(wěn)定拉伸過程 變得很細(xì)很長 同時溶劑揮發(fā) 得到帶電的聚合物纖維 1 2 靜電紡制備納米纖維的裝置 目前尚無用于實(shí)驗(yàn)的定型的靜電紡絲機(jī)生產(chǎn)和出售 各研究單位均按照其主要的 基本構(gòu)件 高壓靜電發(fā)生器 進(jìn)樣器 收集器3部分 根據(jù)各自的條件自行安裝 Larrondo L和Manley設(shè)計(jì)出用于熔體的靜電紡絲機(jī) 如圖2 其中的主要部件分別為 1不銹鋼圓筒 2不銹鋼壁 3傳熱夾套 4加熱管 5保溫層 6熱電偶 7不銹鋼圓筒下 口 8不銹鋼毛細(xì)管 9毛細(xì)孔 10石棉板 1l活塞 12液壓泵 13金屬壓板 14噴絲 孔 大量的研究丁作集中在干法溶液紡絲的靜電紡絲工藝 典型的靜電紡絲裝置有水 平式和垂直式 這兩種靜電紡絲機(jī)除收集的位置不同外 其他的結(jié)構(gòu)組成基本一樣 1 3 靜電紡絲的影響因素 靜電紡絲工藝中 影響聚合物纖維特性的工藝變量主要為聚合物流體特性和紡絲 工藝參數(shù)兩個方面 聚合物流體特性主要是聚合物的相對分子質(zhì)量 相對分子質(zhì)量分 精品文檔 3歡迎下載 布 鏈段結(jié)構(gòu)和聚合物流體 溶液或熔融體 的粘性 電導(dǎo)率 表面張力等特性參數(shù) 紡絲工藝參數(shù)主要包括靜電場強(qiáng)度 毛細(xì)管噴絲頭與接收板間的距離 聚合物流體的 流速 接收板的運(yùn)動形式及紡絲環(huán)境溫度和濕度等工藝參數(shù) a 聚合物溶液濃度 聚合物溶液濃度越高 粘度越大 表面張力越大 而離開噴 嘴后液滴分裂能力隨表面張力增大而減弱 通常在其它條件恒定時 隨著濃度增加 纖維直徑增大 b 靜電紡絲流體的流動速率 當(dāng)噴絲頭孔徑固定時 射流平均速度顯然與纖維直 徑成正比 c 電場強(qiáng)度 隨電場強(qiáng)度增大 高分子靜電紡絲液的射流有更大的表面電荷密度 因而有更大的靜電斥力 同時 更高的電場強(qiáng)度使射流獲得更大的加速度 這兩個因 素均能引起射流及形成的纖維有更大的拉伸應(yīng)力 導(dǎo)致有更高的拉伸應(yīng)變速率 有利 于制得更細(xì)的纖維 d 毛細(xì)管口與收集器之間的距離 聚合物液滴經(jīng)毛細(xì)管口噴出后 在空氣中伴隨 著溶劑揮發(fā) 聚合物濃縮固化成纖維 最后被接收器接收 隨兩者間距離增大 直徑 變小 e 收集器的狀態(tài)不同 制成的納米纖維的狀態(tài)也不同 當(dāng)使用同定收集器時 納 米纖維呈現(xiàn)隨機(jī)不規(guī)則情形 當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)盤收集器時 納米纖維呈現(xiàn)平行規(guī)則排列 因此 不同設(shè)備條件所生成的纖維網(wǎng)膜不同 2 納米纖維 納米纖維主要包括兩個概念 一是嚴(yán)格意義上的納米纖維 是指纖維直徑小于 100nm的超微細(xì)纖維 另一概念是將納米微粒填充到纖維中 對纖維進(jìn)行改性 也就是 我們通常意義上的納米纖維 采用性能不同的納米微粒 可開發(fā)抗菌 阻燃 防紫外 遠(yuǎn)紅外 抗靜電 電磁屏蔽等各種功能性纖維 這一領(lǐng)域是目前國內(nèi)開發(fā)的熱點(diǎn) 通 過靜電紡制備的納米纖維屬于前者 2 1 國內(nèi)外靜電紡絲制備納米纖維的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前 靜電紡絲已經(jīng)成為納米纖維的主要制備方法之一 對靜電紡絲的研究較深 人而且涉及到很多方面 Greiner AEsJ詳細(xì)分析了靜電紡絲制造出的納米纖維的外形 的幾乎所有的參數(shù) Bunyan N等研究了在牽伸過程中納米纖維的形態(tài) 取向及沉積的 變化 重新設(shè)計(jì)工藝來控制納米纖維在接受裝置上的沉積 具體T藝是通過對射流路徑 接受裝置的設(shè)計(jì)和熔體性質(zhì)的控制來實(shí)現(xiàn)的 Jun Z等研究了靜電紡絲中表面張力 溶 液粘度 溶液傳導(dǎo)率 聚合物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度對纖維形狀尺寸的影響 發(fā)現(xiàn)其中溶液 粘度的影響最大 Fong H等研究了靜電紡納米纖維的形成 詳細(xì)分析射流的過程變化 目前 國內(nèi)已有中國紡織科學(xué)研究院張錫偉等人采用靜電紡絲法紡制納米纖維聚 丙烯腈纖維氈 聚丙烯腈纖維是制備碳纖維的主要原料 將納米級聚丙烯腈纖維氈經(jīng) 過預(yù)氧化及氧化加工后可制成納米級碳纖維氈 碳纖維越細(xì) 碳纖維復(fù)合材料的粘合 性能就越好 東華大學(xué)等高校目前也在做納米纖維的探索研究工作 精品文檔 4歡迎下載 2 2 靜電紡納米纖維的應(yīng)用 納米纖維具有極大的比表面積 它在成型的網(wǎng)氈上有很多微孔 因此有很強(qiáng)的吸 附力以及良好的過濾性 阻隔性 粘合性和保溫性 利用納米纖維的這些特性可制作 吸附材料和過濾材料等 并可有效地用于原子工業(yè) 無菌室 精密工業(yè) 涂飾行業(yè)等 其過濾效率較之常規(guī)過濾材料效率大大提高 Danaldson公司已經(jīng)制造出ultra web牌 納米纖維濾材 以聚偏氟乙二烯為支撐基材 納米纖維膜為濾材的氣體微濾膜和液體 微濾膜組件 納米纖維濾材不僅提高了其過濾性能而且環(huán)境適應(yīng)范同廣 污染物濃度 適應(yīng)范圍寬 抗污染能力更強(qiáng) 在服裝方面納米纖維應(yīng)用前景也是令人矚目的 可以利用納米纖維的低密度 高 孔隙度和大的比表面積做成多功能防護(hù)服 如美國ASSC Natick開發(fā)中心的GibsonLl發(fā) 現(xiàn)用靜電紡絲法制備的納米級無紡膜對以氣溶膠形式存在的生物化學(xué)制劑具有很好的 防護(hù)作用 通過比較發(fā)現(xiàn) 無紡膜對氣溶膠的過濾性能大大優(yōu)于現(xiàn)在裝備軍隊(duì)的保護(hù) 性服裝材料 另外 無紡膜的孔狀結(jié)構(gòu)形成內(nèi)外貫通的微孔 這有利于毛細(xì)管吸水 與其他膜相比 無紡膜對氣相水分?jǐn)U散的阻力最小 因此無紡膜不但有良好的過濾性 能 還有良好的透氣性 這對保護(hù)性服裝特別有利 此外 利用靜電紡納米纖維還可 以做成抗靜電 抗紫外 防微波 耐日曬 抗氧化 隱身眼裝以及智能服裝等 靜電紡絲纖維由于具有很好的生物相容性和結(jié)構(gòu)相容性 已經(jīng)在組織工程支架 移植涂膜 藥物釋放 刨傷修復(fù)等方面得到了應(yīng)用 靜電紡絲形成的納米纖維結(jié)構(gòu)基 本上能夠滿足組織工程支架的要求 支撐并引導(dǎo)細(xì)胞繁殖 用靜電紡絲法制備的乙交 酯 丙交酯共聚物細(xì)胞支架 其結(jié)構(gòu)與天然組織細(xì)胞外基質(zhì)類似 具有多孔性 寬的 孔徑分布和良好的機(jī)械性能 景遐斌等ll們將阿霉素溶解在可生物降解高分子溶液中 進(jìn)行靜電紡絲 形成包裹有阿霉素的超細(xì)纖維無紡布或纖維氈 Brignocchi A等報(bào)道 了細(xì)胞在納米纖維上的生長 可直接朋于治療創(chuàng)傷和皮膚的燒傷 在電場的輔助下 可將帶功能性的聚合物直接紡到皮膚的損傷部位 形成修復(fù)性無紡纖維膜 除此之外 納米纖維在生物醫(yī)用材料方面的應(yīng)用還有仿生材料 細(xì)胞載體等 靜電紡納米纖維的比表面積比通用膜大得多 因此 用在傳感器方面可以大大提 高其靈敏度 Ding B等將可交聯(lián)的聚丙烯酸 PAA 與聚乙烯醇 PVA 混合 電紡在石英 晶體微平衡器 QCM 表面上制得對NH3敏感的氣體傳感器 其中 PAA與PVA的含量比率 不僅影響靜電紡絲的結(jié)構(gòu)形態(tài) 也影響對NH3的敏感性 NH3的敏感性試驗(yàn)表明 影響傳 感器靈敏度的岡素主要有PAA含量 NH3濃度 空氣相對濕度等 此外 納米纖維在高分子納米模板 納米復(fù)合改性材料 航空航天等方面也都有廣 泛的用途 3 存在問題 靜電紡纖維最主要的特點(diǎn)是所得纖維的直徑較細(xì) 新形成的非織造布是一種有納 米級微孔的多孔材料 因此有很大的比表面積 有多種潛在用途 但是 目前的電紡 技術(shù)在推廣上存在一定技術(shù)問題 第一 由于靜電紡絲機(jī)設(shè)計(jì)的構(gòu)型 此法得到的只 能是非織造布 而不能得到納米纖維彼此可分離的長絲或短纖維 第二 目前靜電紡 絲機(jī)的產(chǎn)量很低 其產(chǎn)量典型值為1mg h 1g h的范圍 難以大規(guī)模應(yīng)用 第三 由 于多數(shù)條件下靜電紡絲中的拉伸速率較低 紡絲路程很短 因此在這一過程中高分子 精品文檔 5歡迎下載 取向發(fā)展不完善 結(jié)果電紡納米纖維的強(qiáng)度較低 至今為止有關(guān)納米纖維形態(tài)和材料特性的基礎(chǔ)研究工作仍處于初期階段 系統(tǒng)化 深入地研究靜電紡絲制備納米纖維的工藝非常迫切 一方面如何實(shí)現(xiàn)納米纖維尺度 導(dǎo)向和其他預(yù)期特征的控制和重復(fù)操作 仍是靜電紡絲生產(chǎn)納米纖維領(lǐng)域的主要難題 另一方面 對聚合物體系在靜電場中流體不穩(wěn)定性進(jìn)行精確描述是制備納米纖維的關(guān) 鍵 4 發(fā)展前景 靜電紡絲工藝生產(chǎn)高性能聚合物納米纖維的工藝流程簡單 普遍適用現(xiàn)有的聚合 物和生物高分子溶液或熔體 由于靜電紡