静电纺丝法制备纳米材料.ppt

静电纺丝法制备纳米材料 材加2012 A1班 周孟宇曹阳付晨胡日 静电纺丝的历史 静电纺丝的原理及相关概念 静电纺丝的设备和特点 静电纺丝的应用 目录 1934年Formhals 1966年Simons 1971年Baumgarten 1981年Larrondo和Manley 首次在专利中提出该技术 他设计了一套聚合物溶液在强电场下的喷射进行纺丝的加工装置 专利中叙述了用静电纺丝技术制备超细超轻无纺布的装置 且发现粘度高时 纤维连续 粘度低时 纤维短且细 设计了一套装置 可以制备直径在0 05 1 1微米的丙烯酸纤维 考察了纤维直径与溶液黏度 射流长度及环境气体组分之间的关系 将聚乙烯和聚丙烯熔体纺成连续的纤维 研究发现 直径取决于电场 操作温度和熔融体粘度 与喷丝嘴直径无明显关系 静电纺丝技术的发展历史 简单的说 静电纺丝就是将聚合物溶液或熔体带上高压静电 带电聚合物液滴在电场的作用力下在毛细管的顶点形成Taylor锥 当电场力足够大时 聚合物液滴就可以克服表面张力形成喷射细流 细流在喷射过程中溶剂蒸发 产品最终落在接收装置上 形成类似非织造布状的纤维毡 静电纺丝的原理 电喷技术 在高压静电场下 导电液滴能够发生高速喷射的现象 静电纺丝 可以认为是带电射流电雾化的一种变形 当液体的粘度较小时 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 当液滴的粘度较大时 就会形成纤维 泰勒锥 随着电场力的增加 液滴逐渐被拉长 当所施加的电场力的数值与液滴的表面张力相等时 液滴就形成了顶角为49 3 的圆锥 被命名为 泰勒锥 相关概念 静电纺丝装置图 静电纺丝的基本设备包括 高压电源 喷丝头和接收装置 纺丝液通过注射泵从喷丝头中挤出形成小滴 小滴在高压电作用下变成锥形 在超过某一临界电压后进一步激发形成射流 射流在空气中急剧震荡和鞭动 从而拉伸细化 最终沉降在接收装置上 基本设备 高压电源 高压电源提供产生纺丝液射流的高压电 电源的两极分别连接在喷丝头和接收装置 根据电源性质的不同 可分为直流和交流高压电源两种 都可用于静电纺丝 直流高压电在电纺过程中通常采用感应充电的方式 即将直流高压电直接接在喷丝头上 接收装置接地或反之 电压极性对纺丝过程影响不大 实验室多采用高压正电纺丝 交流电电纺可显著提高射流鞭动的稳定性 纤维变粗但有序性增加 同时也可在绝缘的接收装置上有较大的接收面积 但在纺丝过程中交流电频率不易调整 要考虑每次的实验条件 温湿度 溶液性质等 喷丝头 喷丝头的作用就是在纺丝过程中产生纺丝小液滴 提供射流激发位点 一般分为无针头和针头两种不同的喷丝体系 其中针头体系根据针头数量和形式的不同 还可以进一步分为单头 同轴 并列 多头等不同的形式 1 无针头体系 核心思想就是在自由聚合物溶液表面形成大量射流激发位点 2 针头体系 1 单针头单针头最常见 根据需要可选择不同型号的针头 2 同轴针头同轴电纺的一个优点在于可以突破单头体系的限制 将一些难以直接电纺的聚合物通过同轴电纺装置制备纳米纤维 另一个优势是通过将核层选择性移除 还可以制备中空纳米纤维结构 3 并列式针头并列式针头体系是一种结构简单却易于实现功能化纳米纤维制备的喷丝头体系 它将不同的聚合物溶液通过紧密靠在一起的并列式针头同时进行射流激发 在电纺过程中平行射流融合 得到多根纤维互相连接的束状单根纤维 因此特别适合制备双组份聚合物纤维 并列式针头 4 多针头在并列式针头装置的基础上 进一步增大针头间的距离就发展为多可针头体系 针头数量从2个到十几个不等 也称为平行电纺 多针头纺丝体系 2 辅助接收装置在射流鞭动细化过程中 主要受到电场力的作用 因此通过引入接收装置改变电场形状或者引入其他场如磁场 就能调控射流运动轨迹 达到可控收集的目的 环形电极辅助接收装置 单针头纳米纤维 同轴纳米纤维 静电纺丝的特点 控制纤维取向 溶液浓度 离子和聚合物 推进器的速度电场强度 收集器的形状收集器的运动外加磁场 控制纤维直径 静电纺丝的特点 空心CFO纤维 PZT芯CFO壳纤维 CFO芯PZT壳纤维 控制纤维结构 静电纺丝的应用 电池和电极材料 以锂离子电池为例 静电纺能很好的改变其性能 将PAN的静电纺丝和惰性气体下的热处理巧妙的结合起来 制备出高纯的碳纳米纤维网络结构 由于其优良的物理和化学性质 这种碳纳米纤维能够很好的改善锂离子电池 LiB 的电容率 因此 此碳纳米纤维是高功率LiB的理想阳极材料 用同轴静电纺丝法制备出复合纳米纤维 然后将纺出的纤维浸在正辛烷中 以除去纤维中的油 之后将其在Ar H2氛围中1000 煅烧5h 最终得到包含有Sn和碳的中空碳纳米纤维 这种复合物在0 5C循环200次后展现出高达737mAh g的可逆电容 作为电池材料具有很好的稳定性和可重复性 此外 这种含有Sn和碳的中空碳纳米纤维结构中有很高的Sn含量 接近70wt 提供了很好的孔隙率 也避免了Sn纳米颗粒的破碎 静电纺丝的应用 化学及生物传感器 由静电纺丝得到的纳米级纤维制备化学传感器因为具有超高的比表面积 快速的反应时间 良好的灵敏度和选择性等优点备受关注 纳米化学传感器在环境污染物检测 工业反应检测 食品安全监督 药物成分分析等方面有广泛的应用 用静电纺丝法制备PANI纳米纤维 并将纤维沉积在Au电极上 制备成NH3传感器 纳米纤维传感器可以在几分钟内完成NH3的检测过程 利用高压静电纺丝作为生物敏感元件 优点在于纺丝材料良好的生物相容性 可以通过各种方式将纺丝纤维与生物大分子进行组装 并且达到特异性被测物的目的 由于高的比表面积 足够的生物大分子可以吸附在纺丝表面 并且与被测物达到充分接触 反应 最终实现高灵敏度检测的目的 静电纺丝的应用 生物及医药 纳米纤维可用于人造血管 药物输送和组织工程等材料中 纳米纤维材料作为载药体系可以避免药物突释效应 还可以有效地防止药物在人体内的降解或者失活 能够从结构和功能两个方面模仿天然基质是一个理想的组织工程支架 静电纺丝的应用 高效过滤材料 纳米纤维复合制品具有高孔隙率 高表面能和高比表面积的性能 可大大提高过滤效率 且由于纳米纤维的直径小 纤维膜轻薄 降低过滤阻力 作为空气过滤材料 可在制药 实验室 医院 食品 化学及化妆品工业中使用 将聚偏氟乙烯 PVDF 静电纺丝纳米纤维薄膜应用在固液分离领域 证明了其去除颗粒的适用性 经过表征发现 PVDF静电纺丝纤维薄膜与传统的微滤膜具有相似的性质 这种膜被用于分离1 m 5 m 10 m的聚苯乙烯颗粒 实验结果表明此纤维膜能除去溶液中90 的微米颗粒 参考文献 1 刘娜 杨建忠 静电纺纳米纤维的研究及应用进展 J 合成纤维工业 2006 29 3 46 2 杜建时 杨清彪 王永芝等 静电纺丝法制备PVP螺旋纤维及其机理研究 J 高等学校化学学报 2006 6 3 FongH RenekerDH Electrospingingandformationofnanofibers M In SalemDR editor Structureformationinpolymeric Munich Hanser 2001 225 246 4 A L Yarin E Zussman UpwardneedlesselectrospinningofmultiplePolymer nanofibers