靜電紡絲技術(shù)及其應(yīng)用（課堂PPT）

1、Page 1靜電紡絲法制備納米材料靜電紡絲法制備納米材料Page 2靜電紡絲的歷史靜電紡絲的設(shè)備和原理靜電紡絲的影響因素和特點(diǎn)靜電紡絲的應(yīng)用目錄Page 31934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(shù)。他設(shè)計(jì)了一套聚合物溶液在強(qiáng)電場下的噴射進(jìn)行紡絲的加工裝置。專利中敘述了用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)超輕無紡布的裝置，且發(fā)現(xiàn)粘度高時(shí)，纖維連續(xù)，粘度低時(shí)，纖維短且細(xì)。設(shè)計(jì)了一套裝置，可以制備直徑在0.05-1.1微米的丙烯酸纖維。考察了纖維直徑與溶液黏度、射流長度及環(huán)境氣體組分之間的關(guān)系。將聚乙烯和

2、聚丙烯熔體紡成連續(xù)的纖維，研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)系。靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展歷史靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展歷史1995年年R eneker對(duì)靜電紡絲進(jìn)行研究，探討了靜電紡絲過程的不穩(wěn)定性，靜電紡絲迅速發(fā)展Page 4 將裝有聚合物濃溶液或熔體的注射器的導(dǎo)電金屬針尖與高電壓發(fā)生器的正極相連，采用接地的金屬平板作為接收裝置。在針尖上加高壓靜電，懸浮的帶電液滴在電場力的作用下被拉伸形成一種泰勒(Taylor)錐。當(dāng)電場力達(dá)到可以克服聚合物液滴的表面張力時(shí)，聚合物液滴表面開始形成噴射細(xì)流，細(xì)流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化，以無紡布的形式沉積在收集板上。 Taylor（泰勒

3、）錐：溶液處于儲(chǔ)液管中,在溶液與管壁的粘附力、本身的粘度和表面張力的作用下形成懸掛在管口的液滴,在電場力的作用下液滴表面布滿了電荷,電荷之間的庫侖斥力與液滴表面張力相反,隨著電場力的增加，液滴逐漸被拉長，當(dāng)所施加的電場力的數(shù)值與液滴的表面張力相等時(shí)，液滴就形成了頂角為49.3的圓錐，被命名為“泰勒錐”。Page 5靜電紡絲的基本設(shè)備包括：靜電紡絲的基本設(shè)備包括：高壓電源、推進(jìn)裝置、電紡溶液和收集裝置組成。通過調(diào)整溶液濃度、溶液粘度、電場場度和接收距離等工藝參數(shù)，可制備直徑范圍在50nm-5um的聚合物及功能陶瓷纖維。通過采用不同的收集裝置,可以得到在一定尺寸范圍內(nèi)取向平行的纖維陣列?；驹O(shè)備基

4、本設(shè)備Page 6噴絲頭噴絲頭 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(diǎn)。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(jìn)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(diǎn)。Page 72、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(hào)的針頭。Page 8 2 2）同軸針頭）同軸針頭 同軸電紡的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(gè)優(yōu)勢是通過將核層選擇性移除，還可以制備

5、中空納米纖維結(jié)構(gòu)。Page 93 3）并列式針頭）并列式針頭 并列式針頭體系是一種結(jié)構(gòu)簡單卻易于實(shí)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(shí)進(jìn)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Page 104 4）多針頭）多針頭在并列式針頭裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(gè)到十幾個(gè)不等，也稱為平行電紡。多針頭紡絲體系Page 11靜電紡絲的特點(diǎn) 溶液濃度溶液濃度 ( (離子和聚合物離子和聚合物) ) 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度 接受距離接受距離 控制纖維直

6、徑控制纖維直徑Page 12控制纖維取向控制纖維取向 收集器的形狀收集器的形狀 收集器的運(yùn)動(dòng)收集器的運(yùn)動(dòng) 外加磁場外加磁場靜電紡絲的特點(diǎn)在平行圓環(huán)上加上與在平行圓環(huán)上加上與靜電紡絲相同的電荷，靜電紡絲相同的電荷，限制了經(jīng)典紡絲的限制了經(jīng)典紡絲的“鞭動(dòng)鞭動(dòng)”，使得靜電，使得靜電紡絲呈現(xiàn)有序性。紡絲呈現(xiàn)有序性。Page 13靜電紡絲的特點(diǎn)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)Page 14靜電紡絲的應(yīng)用靜電紡絲的應(yīng)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

7、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(luò)結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，這種碳納米纖維能夠很好的改米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)良的物理和化學(xué)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。）的電容率。Page 15 用同軸靜電紡絲法制備出復(fù)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(fù)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

8、的中空碳納米纖維，這種復(fù)合物在和碳的中空碳納米纖維，這種復(fù)合物在0.5C循環(huán)循環(huán)200次后展現(xiàn)出高達(dá)次后展現(xiàn)出高達(dá)737mAh/g的可逆電容。作為的可逆電容。作為電池材料電池材料具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外，這種含有具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外，這種含有Sn和碳的中空碳納米纖維結(jié)構(gòu)中有很高的和碳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），提供了很好的孔隙率，也避免了孔隙率，也避免了Sn納米顆粒的破碎。納米顆粒的破碎。 Page 16靜電紡絲的應(yīng)用靜電紡絲的應(yīng)用化學(xué)及生物傳感器化學(xué)及生物傳感器 由靜電紡絲得到的納米級(jí)纖維制備由靜電紡絲得到的納米級(jí)纖

9、維制備化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器因?yàn)榫哂谐叩谋缺砻娣e、因?yàn)榫哂谐叩谋缺砻娣e、快速的反應(yīng)時(shí)間、良好的靈敏度和選擇性等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。納米化學(xué)傳感器在環(huán)快速的反應(yīng)時(shí)間、良好的靈敏度和選擇性等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。納米化學(xué)傳感器在環(huán)境污染物檢測、工業(yè)反應(yīng)檢測、食品安全監(jiān)督、藥物成分分析等方面有廣泛的應(yīng)境污染物檢測、工業(yè)反應(yīng)檢測、食品安全監(jiān)督、藥物成分分析等方面有廣泛的應(yīng)用。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傳感器。納米纖維傳感器可以在幾分鐘內(nèi)完成傳感器。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。

10、Page 17 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(diǎn)在于紡絲材料良好的生物相容性，優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行組裝，并且達(dá)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(jìn)行組裝，并且達(dá)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(dá)到充分接觸、反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。物達(dá)到充分接觸、反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。 Page 18靜電紡絲的應(yīng)用靜電紡絲的應(yīng)用生物及醫(yī)藥生物及醫(yī)藥 納米

11、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系可以避免藥物突釋效應(yīng)，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(yīng)，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(gè)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(gè)方面模仿天然基質(zhì)是一個(gè)理想的組織工程支架。基質(zhì)是一個(gè)理想的組織工程支架。Page 19靜電紡絲的應(yīng)用靜電紡絲的應(yīng)用高效過濾材料高效過濾材料 納米纖維復(fù)合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面積的性能，可大大提納米纖維復(fù)合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面積的性能，可大

12、大提高過濾效率，高過濾效率，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。作為空氣過濾材料過濾材料，可在制藥、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、食品、化學(xué)及化妝品工業(yè)中使用。，可在制藥、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、食品、化學(xué)及化妝品工業(yè)中使用。 Page 20 將聚偏氟乙烯（將聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲納米纖維薄膜應(yīng)用在固液分離領(lǐng)域，證明）靜電紡絲納米纖維薄膜應(yīng)用在固液分離領(lǐng)域，證明了其去除顆粒的適用性。經(jīng)過表征發(fā)現(xiàn)，了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)。這種膜被用于分離膜具有相似的性質(zhì)。這種膜被用于分離1m、5m、10m的聚苯乙烯顆粒。實(shí)的聚苯乙烯顆粒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此纖維膜能除去溶液中驗(yàn)結(jié)果表明此纖維膜能除去溶液中90%的微米顆粒。的微米顆粒。Pa