靜電紡絲法制備納米材料

1、材加2012-A1班：周孟宇 曹陽 付晨 胡日靜電紡絲的歷史靜電紡絲的原理及相關概念靜電紡絲的設備和特點靜電紡絲的應用目錄1934年年Formhals1966年年Simons1971年年Baumgarten1981年年Larrondo和和Manley首次在專利中提出該技術。他設計了一套聚合物溶液在強電場下的噴射進行紡絲的加工裝置。專利中敘述了用靜電紡絲技術制備超細超輕無紡布的裝置，且發(fā)現(xiàn)粘度高時，纖維連續(xù)，粘度低時，纖維短且細。設計了一套裝置，可以制備直徑在0.05-1.1微米的丙烯酸纖維?？疾炝死w維直徑與溶液黏度、射流長度及環(huán)境氣體組分之間的關系。將聚乙烯和聚丙烯熔體紡成連續(xù)的纖維，研究發(fā)現(xiàn)

2、，直徑取決于電場，操作溫度和熔融體粘度，與噴絲嘴直徑無明顯關系。靜電紡絲技術的發(fā)展歷史靜電紡絲技術的發(fā)展歷史簡單的說，靜電紡絲就是將聚合物溶液或熔簡單的說，靜電紡絲就是將聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電體帶上高壓靜電,帶電聚合物液滴在電場帶電聚合物液滴在電場的作用力下在毛細管的頂點形成的作用力下在毛細管的頂點形成Taylor錐。錐。當電場力足夠大時，聚合物液滴就可以當電場力足夠大時，聚合物液滴就可以克服表面張力形成噴射細流，細流在噴克服表面張力形成噴射細流，細流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)射過程中溶劑蒸發(fā),產(chǎn)品最終落在接收裝產(chǎn)品最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。置上，形成類似非織造布狀的纖維

3、氈。 電噴技術：電噴技術：在高壓靜電場下，導電液滴能夠發(fā)生高速噴射的現(xiàn)象。 靜電紡絲靜電紡絲：可以認為是帶電射流電霧化的一種變形，當液體的粘度較小時，射流在受到電場力的作用后破裂為許多細小的液滴，液滴的直徑介于微米和納米之間，當液滴的粘度較大時，就會形成纖維。 泰勒錐泰勒錐：隨著電場力的增加，液滴逐漸被拉長，當所施加的電場力的數(shù)值與液滴的表面張力相等時，液滴就形成了頂角為49.3的圓錐，被命名為“泰勒錐”。相關概念相關概念靜 電 紡 絲 裝 置 圖靜電紡絲的基本設備包括：高壓電源、噴絲頭和接收裝置。紡絲液通過注射泵從噴絲頭中擠出形成小滴，小滴在高壓電作用下變成錐形，在超過某一臨界電壓后進一步激

4、發(fā)形成射流，射流在空氣中急劇震蕩和鞭動，從而拉伸細化，最終沉降在接收裝置上?；驹O備基本設備高壓電源高壓電源 高壓電源提供產(chǎn)生紡絲液射流的高壓電，電源的兩極分別連接在噴絲頭和接收裝置。根據(jù)電源性質(zhì)的不同，可分為直流和交流高壓電源兩種，都可用于靜電紡絲。 直流高壓電在電紡過程中通常采用感應充電的方式，即將直流高壓電直接接在噴絲頭上，接收裝置接地或反之。電壓極性對紡絲過程影響不大，實驗室多采用高壓正電紡絲。 交流電電紡可顯著提高射流鞭動的穩(wěn)定性，纖維變粗但有序性增加，同時也可在絕緣的接收裝置上有較大的接收面積。但在紡絲過程中交流電頻率不易調(diào)整（要考慮每次的實驗條件：溫濕度、溶液性質(zhì)等）。噴絲頭噴絲

5、頭 噴絲頭的作用就是在紡絲過程中產(chǎn)生紡絲小液滴，提供射流激發(fā)位點。一般分為無針頭和針頭兩種不同的噴絲體系，其中針頭體系根據(jù)針頭數(shù)量和形式的不同，還可以進一步分為單頭、同軸、并列、多頭等不同的形式。1 1、無針頭體系、無針頭體系。核心思想就是在自由聚合物溶液表面形成大量射流激發(fā)位點。2、針頭體系。針頭體系。 1 1）單針頭）單針頭 單針頭最常見，根據(jù)需要可選擇不同型號的針頭。 2 2）同軸針頭）同軸針頭 同軸電紡的一個優(yōu)點在于可以突破單頭體系的限制，將一些難以直接電紡的聚合物通過同軸電紡裝置制備納米纖維。另一個優(yōu)勢是通過將核層選擇性移除，還可以制備中空納米纖維結(jié)構(gòu)。3 3）并列式針頭）并列式針頭

6、 并列式針頭體系是一種結(jié)構(gòu)簡單卻易于實現(xiàn)功能化納米纖維制備的噴絲頭體系。它將不同的聚合物溶液通過緊密靠在一起的并列式針頭同時進行射流激發(fā)，在電紡過程中平行射流融合，得到多根纖維互相連接的束狀單根纖維，因此特別適合制備雙組份聚合物纖維。并列式針頭4 4）多針頭）多針頭 在并列式針頭裝置的基礎上，進一步增大針頭間的距離就發(fā)展為多可針頭體系，針頭數(shù)量從2個到十幾個不等，也稱為平行電紡。多針頭紡絲體系2 2、輔助接收裝置、輔助接收裝置 在射流鞭動細化過程中，主要受到電場力的作用，因此通過引入接收裝置改變電場形狀或者引入其他場如磁場，就能調(diào)控射流運動軌跡，達到可控收集的目的。環(huán)形電極輔助接收裝置單針頭納

7、米纖維同軸納米纖維靜電紡絲的特點+ kv 控制纖維取向1. 溶液濃度 (離子和聚合物)2. 推進器的速度3. 電場強度1. 收集器的形狀2. 收集器的運動3. 外加磁場 控制纖維直徑靜電紡絲的特點空心CFO纖維PZT芯CFO 殼纖維CFO芯 PZT 殼纖維控制纖維結(jié)構(gòu)控制纖維結(jié)構(gòu)靜電紡絲的應用靜電紡絲的應用電池和電極材料電池和電極材料 以鋰離子電池為例，靜電紡能很好的改變其性能。以鋰離子電池為例，靜電紡能很好的改變其性能。 將將PAN的靜電紡絲和惰性氣體下的熱處理巧妙的結(jié)合起來，制備出高純的碳納的靜電紡絲和惰性氣體下的熱處理巧妙的結(jié)合起來，制備出高純的碳納米纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)良的物理和化學

8、性質(zhì)，這種碳納米纖維能夠很好的改米纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)，這種碳納米纖維能夠很好的改善鋰離子電池（善鋰離子電池（LiB）的電容率。因此，此碳納米纖維是高功率）的電容率。因此，此碳納米纖維是高功率LiB的理想的理想陽極材料陽極材料。 用同軸靜電紡絲法制備出復合納米纖維，然后將紡出的纖維浸在正辛烷中，用同軸靜電紡絲法制備出復合納米纖維，然后將紡出的纖維浸在正辛烷中，以除去纖維中的油，之后將其在以除去纖維中的油，之后將其在Ar/H2氛圍中氛圍中1000煅燒煅燒5h，最終得到包含有，最終得到包含有Sn和碳的中空碳納米纖維，這種復合物在和碳的中空碳納米纖維，這種復合物在0.5C循環(huán)循環(huán)

9、200次后展現(xiàn)出高達次后展現(xiàn)出高達737mAh/g的的可逆電容。作為可逆電容。作為電池材料電池材料具有很好的穩(wěn)定性和可重復性。此外，這種含有具有很好的穩(wěn)定性和可重復性。此外，這種含有Sn和碳和碳的中空碳納米纖維結(jié)構(gòu)中有很高的的中空碳納米纖維結(jié)構(gòu)中有很高的Sn含量（接近含量（接近70wt%），提供了很好的孔隙率），提供了很好的孔隙率，也避免了，也避免了Sn納米顆粒的破碎。納米顆粒的破碎。 靜電紡絲的應用靜電紡絲的應用化學及生物傳感器化學及生物傳感器 由靜電紡絲得到的納米級纖維制備由靜電紡絲得到的納米級纖維制備化學傳感器化學傳感器因為具有超高的比表面積、快因為具有超高的比表面積、快速的反應時間、良

10、好的靈敏度和選擇性等優(yōu)點備受關注。納米化學傳感器在環(huán)境速的反應時間、良好的靈敏度和選擇性等優(yōu)點備受關注。納米化學傳感器在環(huán)境污染物檢測、工業(yè)反應檢測、食品安全監(jiān)督、藥物成分分析等方面有廣泛的應用污染物檢測、工業(yè)反應檢測、食品安全監(jiān)督、藥物成分分析等方面有廣泛的應用。 用靜電紡絲法制備用靜電紡絲法制備PANI納米纖維，并將纖維沉積在納米纖維，并將纖維沉積在Au電極上，制備成電極上，制備成NH3傳傳感器。納米纖維傳感器可以在幾分鐘內(nèi)完成感器。納米纖維傳感器可以在幾分鐘內(nèi)完成NH3的檢測過程。的檢測過程。 利用高壓靜電紡絲作為利用高壓靜電紡絲作為生物敏感元件生物敏感元件，優(yōu)點在于紡絲材料良好的生物相

11、容性，優(yōu)點在于紡絲材料良好的生物相容性，可以通過各種方式將紡絲纖維與生物大分子進行組裝，并且達到特異性被測物的可以通過各種方式將紡絲纖維與生物大分子進行組裝，并且達到特異性被測物的目的。由于高的比表面積，足夠的生物大分子可以吸附在紡絲表面，并且與被測目的。由于高的比表面積，足夠的生物大分子可以吸附在紡絲表面，并且與被測物達到充分接觸、反應，最終實現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。物達到充分接觸、反應，最終實現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。 靜電紡絲的應用靜電紡絲的應用生物及醫(yī)藥生物及醫(yī)藥 納米纖維可用于人造血管、藥物輸送和組織工程等材料中。納納米纖維可用于人造血管、藥物輸送和組織工程等材料中。納米纖維材料作為載藥體

12、系可以避免藥物突釋效應，還可以有效地防止米纖維材料作為載藥體系可以避免藥物突釋效應，還可以有效地防止藥物在人體內(nèi)的降解或者失活；能夠從結(jié)構(gòu)和功能兩個方面模仿天然藥物在人體內(nèi)的降解或者失活；能夠從結(jié)構(gòu)和功能兩個方面模仿天然基質(zhì)是一個理想的組織工程支架。基質(zhì)是一個理想的組織工程支架。靜電紡絲的應用靜電紡絲的應用高效過濾材料高效過濾材料 納米纖維復合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面積的性能，可大大提高納米纖維復合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面積的性能，可大大提高過濾效率，過濾效率，且由于納米纖維的直徑小、纖維膜輕薄，且由于納米纖維的直徑小、纖維膜輕薄，降低過濾阻力。作為空氣降低過濾阻力。作

13、為空氣過過濾材料濾材料，可在制藥、實驗室、醫(yī)院、食品、化學及化妝品工業(yè)中使用。，可在制藥、實驗室、醫(yī)院、食品、化學及化妝品工業(yè)中使用。 將聚偏氟乙烯（將聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲納米纖維薄膜應用在固液分離領域，證明了）靜電紡絲納米纖維薄膜應用在固液分離領域，證明了其去除顆粒的適用性。經(jīng)過表征發(fā)現(xiàn)，其去除顆粒的適用性。經(jīng)過表征發(fā)現(xiàn)，PVDF靜電紡絲纖維薄膜與傳統(tǒng)的微濾膜靜電紡絲纖維薄膜與傳統(tǒng)的微濾膜具有相似的性質(zhì)。這種膜被用于分離具有相似的性質(zhì)。這種膜被用于分離1m、5m、10m的聚苯乙烯顆粒。實驗的聚苯乙烯顆粒。實驗結(jié)果表明此纖維膜能除去溶液中結(jié)果表明此纖維膜能除去溶液中90%的微米顆粒。

14、的微米顆粒。參考文獻參考文獻1. 劉娜劉娜, 楊建忠楊建忠. 靜電紡納米纖維的研究及應用進展靜電紡納米纖維的研究及應用進展J. 合成合成纖維工業(yè)纖維工業(yè), 2006, 29(3): 46.2. 杜建時，楊清彪，王永芝等杜建時，楊清彪，王永芝等. 靜電紡絲法制備靜電紡絲法制備PVP螺旋纖螺旋纖維及其機理研究維及其機理研究J. 高等學?；瘜W學報高等學?；瘜W學報,2006.6.3. Fong H, Reneker D H. Electrospinging and formation of nanofibersM. In:Salem DR, editor. Structure formation in polymeric. Munich: Hanser，2001, 225-246.4. A. L. Yarin, E. Zussman. Upward needless electrosp