靜電紡絲文獻(xiàn)綜述

1、北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告題目學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)： 班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：專業(yè)負(fù)責(zé)人：指導(dǎo)老師意見(jiàn):指導(dǎo)老師簽字:日期： 年 月 日日期:靜電紡絲文獻(xiàn)綜述摘要：靜電紡絲技術(shù)自從2000年以后進(jìn)入快速發(fā)展期，論文和專利都成指數(shù)型增長(zhǎng)。 目前，研究的現(xiàn)狀從這些研究的內(nèi)容看，研究主要圍繞靜電紡絲的應(yīng)用、工業(yè)化、原 理三個(gè)方面。同時(shí)，在醫(yī)用材料領(lǐng)域，靜電紡絲也逐步展開(kāi)了研究。關(guān)鍵詞：靜電紡絲，研究現(xiàn)狀，醫(yī)用材料Abstract:Electrospi nning develops rapidly that papers and pate nts in crease exp onen tial

2、ly since 2000. The research status focus on applications, industrialization and principle. Mean while, electrosp inning research on biomaterials is spri nging up.Key words: electrosp innin g, research status, biomaterials applicati on1靜電紡絲發(fā)展目前常用的制備纖維的方法有拉伸法、模板法、相分離法和靜電紡絲法。其中， 靜電紡絲法制備纖維因其操作簡(jiǎn)單、適用較廣和成本

3、低而廣泛被使用在紡絲領(lǐng)域。靜 電紡絲是 A.Formhals在1934年發(fā)明。在1938年至1944年期間，隨著 A.Formhals 對(duì)靜電紡絲技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和對(duì)靜電紡絲原理的探究刃，靜電紡絲技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。1969年，Taylor發(fā)現(xiàn)了 Taylor錐，對(duì)靜電紡絲的原理進(jìn)行了進(jìn)一步的豐 富。1971年，杜邦公司利用靜電紡絲制備了 PAN亞納米纖維。1981年，美國(guó)Ethic on 公司研究了靜電紡絲技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用9。在20世紀(jì)90年代后，靜電紡絲技術(shù) 在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，文獻(xiàn)和專利技術(shù)迅速增加。在2001年，國(guó)內(nèi)有關(guān)靜電紡絲技術(shù)的專利出現(xiàn)，東華大學(xué)、北京化工大學(xué)、浙

4、江大學(xué)等高校成了國(guó)內(nèi)靜電紡 絲研究的中心。在2006年，全球第一條靜電紡絲制備納米纖維的生產(chǎn)線投入市場(chǎng)， 標(biāo)志著靜電紡絲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)化。2靜電紡絲原理靜電紡絲所需要的實(shí)驗(yàn)裝置靜電紡絲機(jī)。靜電紡絲機(jī)一般包括高壓電源、噴絲裝 置和收集裝置。噴絲裝置到收集裝置的距離一般為15-25 cm，電壓為0-50 kV。紡絲液體從噴絲裝置流出，在高壓電壓作用下客服噴絲液自身的表面張力和粘彈力而形成 射流。隨著溶劑的揮發(fā)和熔體的凝固，射流最終在接收裝置上形成纖維。在當(dāng)代，學(xué)者對(duì)靜電紡絲原理進(jìn)行了進(jìn)一步研究和探討10，其研究主要集中在泰勒錐和納米纖維的彎曲非穩(wěn)定性兩個(gè)方面。另外，同軸靜電紡絲和紡織核殼結(jié)構(gòu)納

5、米 纖維的原理的研究也在悄然興起。3影響因素靜電紡絲的影響因素主要有以下三個(gè)因素：溶液性質(zhì)，控制變量，外界條件。溶 液性質(zhì)包括溶質(zhì)性質(zhì)，溶劑性質(zhì)，溶劑濃度，溶液導(dǎo)電率和PH值，溶液表面張力等；控制變量包括電場(chǎng)強(qiáng)度，接收距離，推進(jìn)速度，針頭內(nèi)徑等；外界條件包括空氣濕度 和溫度。對(duì)于同一種聚合物溶液，隨著分子量的增加分子鏈的長(zhǎng)度增加，從而分子量的粘 彈性、流變性、表面力學(xué)性能改變，纖維性能改變11。同理，聚合物的濃度12、溶劑 13等改變，纖維性能改變。隨著外加電壓的減小，溶液表面的靜電斥力減小，纖維表 面越光滑網(wǎng)；同樣，接受距離增加、流速減小，更有利于纖維的紡織?？諝鉂穸取?度對(duì)靜電紡絲也有一

6、定的影響：Ramsay-shields推導(dǎo)出了相關(guān)公式丫 *v（2/3） =K*（Tc-T-6）其中丫為表面張力，V為液體摩爾體積，K為普適常數(shù)，Tc為臨界溫度15。4研究進(jìn)展4.1在應(yīng)用方面靜電紡絲制備納米纖維在2006年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以后，目前已經(jīng)開(kāi)始用于各個(gè)方面。 如生物材料，組織支架，污水處理等等方面。在醫(yī)學(xué)材料方面，靜電紡絲制備的纖維 膜可以用于體外創(chuàng)傷護(hù)理的敷料、 皮膚再生的醫(yī)用敷料和具有定向藥物釋放功能的醫(yī) 用輔料26。污水處理等常用的超濾膜有聚丙烯晴（PAN）超濾膜、聚砜類（PS）超濾 膜、醋酸纖維素（CA ）超濾膜等。超濾膜可以通過(guò)機(jī)械的吸附等物理作用可以是溶 劑和溶質(zhì)選擇性的通

7、過(guò)，從而起到過(guò)濾篩選的作用。4.2在工業(yè)化方面自從2006年全球第一個(gè)靜電紡絲制備納米纖維的生產(chǎn)線建立之后，標(biāo)志著靜電 紡絲進(jìn)入工業(yè)化階段。目前，在工業(yè)方面研究的熱點(diǎn)主要有多針頭噴絲工藝的設(shè)計(jì)、 無(wú)針頭靜電紡絲、多孔平板型噴頭設(shè)計(jì)、多孔陶瓷管噴頭設(shè)計(jì)等。在目前納米纖維急 切需求的市場(chǎng)情況下，高性能、低成本的靜電紡絲工藝將是這方面研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。 4.3在技術(shù)原理方面溶液性質(zhì)、控制條件和外界環(huán)境對(duì)紡絲效果影響較大，通過(guò)對(duì)溶液、控制條件和 外界條件的調(diào)控來(lái)控制靜電紡絲，從而改善纖維的性能是靜電紡絲技術(shù)的一個(gè)新的研 究熱點(diǎn)。5 HA和PEO性質(zhì)5.1透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸(HA , Hyaluronic

8、 acid )又稱玻璃酸，玻尿酸。透明質(zhì)酸是一種無(wú)毒的白色 的無(wú)定型態(tài)的粉末狀固體，如圖1(a)。這種固體無(wú)臭無(wú)味，具有極強(qiáng)的吸濕性，可溶于水，但是不能溶于有機(jī)溶劑。透明質(zhì)酸的水溶液具有很高粘彈性和可塑性，易于 制成納米纖維。由透明質(zhì)酸制成的生物膜具有很好的滲透性，改性后可用作滲透膜。 由于人體和生物體內(nèi)含有大量的透明質(zhì)酸，并且主要分布在結(jié)蹄組織和細(xì)胞外基質(zhì) 中，所以透明質(zhì)酸具有良好的生物相容性。透明質(zhì)酸極易降解，在酸堿、高溫、射線、金屬條件下都可降解。由于透明質(zhì)酸的獨(dú)特性之，它還被用著乳化劑、增稠劑和潤(rùn)滑 劑等。透明質(zhì)酸是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸通過(guò) &1,4和 旳,3糖苷鍵反

9、復(fù)交替連接 形成的線性酸性粘多糖。這種粘多糖的結(jié)構(gòu)單元屬于葡萄糖的衍生物，其結(jié)構(gòu)式如圖 1(b)。透明質(zhì)酸的分子量一般小于 400萬(wàn)，當(dāng)分子量高達(dá)300萬(wàn)后就因無(wú)可紡窗口 而不具有可紡性了，失去了低分子量的透明質(zhì)酸的可紡性。圖1透明質(zhì)酸。（a）為透明質(zhì)酸實(shí)物圖；（b）為透明質(zhì)酸結(jié)構(gòu)式由于透明質(zhì)酸的結(jié)構(gòu)單元含有大量的羥基，這些羥基在透明質(zhì)酸的分子間或者分子內(nèi)形成氫鍵。在氫鍵和分子間的各種作用力的共同作用下，透明質(zhì)酸的空間結(jié)構(gòu)是 剛性的螺旋柱型。除此之外，羥基具有極強(qiáng)的親水性，親水量可高達(dá)自重的1000倍以上；在分子間作用力作用下，羥基排布極其規(guī)整，取向相同，而在羥基取向的反方 向上是整齊的碳鏈骨

10、架的排列，碳鏈?zhǔn)请y溶于水的，所以在碳鏈側(cè)透明質(zhì)酸具有憎水 性。由此，透明質(zhì)酸具有親水憎水的雙重屬性。因?yàn)橥该髻|(zhì)酸這種獨(dú)特的性質(zhì)，它被 廣泛用于化妝品行業(yè)，并被公認(rèn)為是高端的保水因子。除此之外，透明質(zhì)酸也被廣泛用于醫(yī)用行業(yè)。透明質(zhì)酸具有良好的生物相容性， 其本身就是生物體的一部分。目前，在眼科、關(guān)節(jié)疾病、外科手術(shù)、疾病診斷方面， 透明質(zhì)酸發(fā)揮著重要的作用16。透明質(zhì)酸無(wú)毒無(wú)害，并且易于降解，在食品加工工藝 上也有所應(yīng)用。透明質(zhì)酸目前主要采用組織提取法和微生物發(fā)酵法兩種工藝進(jìn)行生產(chǎn)。目前，通 用的方法主要是組織提取法，這種生產(chǎn)方法成本高，規(guī)模小。在我國(guó)，大型的透明質(zhì) 酸生產(chǎn)廠家有山東福瑞達(dá)公司、山

11、東東營(yíng)東辰集團(tuán)公司、上海聚源生物科技公司、廣 州申強(qiáng)化工有限公司、浙江瑞邦制藥廠、江蘇無(wú)錫柯蘭精細(xì)化學(xué)制品廠、重慶團(tuán)結(jié)生 化制品有限公司、江蘇吳江振興生物制品廠、杭州嘉偉生物制品有限公司等，但他們 采用的都是組織提取法。在國(guó)外，目前能采用微生物發(fā)酵法的廠家大概只有三四家。 透明質(zhì)酸的價(jià)格昂貴，化妝品級(jí)的透明質(zhì)酸的市場(chǎng)價(jià)大約在 1.3萬(wàn)/kg,而醫(yī)用級(jí)的透 明質(zhì)酸的市場(chǎng)價(jià)大約在8萬(wàn)/kg,這也大大限制了透明質(zhì)酸的應(yīng)用。5.2聚環(huán)氧乙烯聚環(huán)氧乙烯（PEO , Polyethylene oxide）又稱為聚環(huán)氧乙烷。聚環(huán)氧乙烯是一種無(wú) 毒的白色微顆粒狀的固體，如圖 2（a）。聚環(huán)氧乙烯易溶于水，也可

12、溶于氯仿、二氯 甲烷等良性有機(jī)溶劑中，在加熱的情況下還可溶于苯、甲苯、四氫呋喃等。聚環(huán)氧乙 烯具有良好的抗熱性，熱解溫度高達(dá) 300E。除此之外，它還是良好的抗藥劑和抗靜電劑。聚環(huán)氧乙烯的結(jié)構(gòu)式如2 (b)。當(dāng)其分子量小于2,5萬(wàn)時(shí)，其形態(tài)呈液態(tài)或者蠟狀固體，這種形態(tài)的聚環(huán)氧乙烯實(shí)際上就是我們平時(shí)見(jiàn)的聚乙二醇(PEG，Polyethylene glycols);當(dāng)其分子量大于2.5萬(wàn)時(shí)，聚環(huán)氧乙烯呈白色固體狀。通常， 人們把分子量大于10萬(wàn)的聚環(huán)氧乙烯稱為高分子量聚環(huán)氧乙烯。圖2.2 聚環(huán)氧乙烯。(a)聚環(huán)氧乙烯實(shí)物圖；(b)聚環(huán)氧乙烯結(jié)構(gòu)式聚環(huán)氧乙烯用途極廣，在工業(yè)、食品、醫(yī)藥、消防等領(lǐng)域都

13、有應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域, 聚環(huán)氧乙烯常被用作水相減阻劑、凝聚劑、增稠劑、潤(rùn)滑劑、粘合劑、脫模劑、上漿 劑、成型劑、潤(rùn)滑劑等。由于聚環(huán)氧乙烯的無(wú)毒性，聚環(huán)氧乙烯在醫(yī)藥食品領(lǐng)域也有 所應(yīng)用。6.展望靜電紡絲技術(shù)因?yàn)槠溲b置簡(jiǎn)單、成本低廉等儀器條件、可紡材料種類多等試劑條件、工藝可控的工藝條件，目前已經(jīng)成為制備納米纖維最常用的一種方法之一。但是,目前靜電紡絲制備納米纖維的工業(yè)化不足、原理技術(shù)還有待完善、應(yīng)用仍然單一。以 后研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)將圍繞著工業(yè)化、應(yīng)用和原理技術(shù)展開(kāi)。另外，隨著生物材料在 新材料領(lǐng)域的新興，靜電紡絲制備納米纖維作為細(xì)胞組織培養(yǎng)支架、人體植入替代組 織、生物醫(yī)用器械等方面也將逐步展開(kāi)。

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