静电纺丝技术及其应用.ppt

静电纺丝法制备纳米材料 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 1995年Reneker 对静电纺丝进行研究 探讨了静电纺丝过程的不稳定性 静电纺丝迅速发展 将装有聚合物浓溶液或熔体的注射器的导电金属针尖与高电压发生器的正极相连 采用接地的金属平板作为接收装置 在针尖上加高压静电 悬浮的带电液滴在电场力的作用下被拉伸形成一种泰勒 Taylor 锥 当电场力达到可以克服聚合物液滴的表面张力时 聚合物液滴表面开始形成喷射细流 细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化 以无纺布的形式沉积在收集板上 静电纺丝的原理 Taylor 泰勒 锥 溶液处于储液管中 在溶液与管壁的粘附力 本身的粘度和表面张力的作用下形成悬挂在管口的液滴 在电场力的作用下液滴表面布满了电荷 电荷之间的库仑斥力与液滴表面张力相反 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 静电纺丝的基本设备包括 高压电源 推进装置 电纺溶液和收集装置组成 通过调整溶液浓度 溶液粘度 电场场度和接收距离等工艺参数 可制备直径范围在50nm 5um的聚合物及功能陶瓷纤维 通过采用不同的收集装置 可以得到在一定尺寸范围内取向平行的纤维阵列 基本设备 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 静电纺丝的特点 溶液浓度 离子和聚合物 电场强度接受距离 收集器的形状收集器的运动外加磁场 静电纺丝的特点 在平行圆环上加上与静电纺丝相同的电荷 限制了经典纺丝的 鞭动 使得静电纺丝呈现有序性 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 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