静电纺丝法制备纳米纤维和成纱研究进展

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1、静电纺丝法制备纳米纤维及成纱研究进展董雅婕（武汉纺织大学机械学院）摘要：通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点，目前，静电纺丝纳米纤维在过滤材料、药物传递、伤口防护、骨架组织工程、航空航天及燃料电池材料等其他领域都有广泛的应用，甚至在生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。本文介绍了静电纺成纱原理及其影响因素，概括了国内外静电纺纳米纤维纱成纱装置的进展，以及静电纺丝纳米纤维的应用现状。预计未来随着静电纺丝技术从实验室走向车间生产流水线，静电纺丝纳米纤维将会得到更加广泛的推广和应用。关键词：静电

2、纺丝；纳米纤维纱；成纱装置0引言静电纺丝又称为电纺丝，在1934年首先由Formhals[1,2]提出该技术并申请了专利，报道了高压静电场纺丝，当时并没有引起人们的注意。但是，随着纳米纤维研究的迅速升温，高压静电场纺丝技术又引起了人们对其深入研究的兴趣。目前，合成纳米纤维的方法很多，例如：分相法[3]，自组装法[4]，抽丝法[5]，模板合成法[6]等。分相法，又称相分离法，主要机理是通过两相的物理不相容性来实现，溶剂相被萃取出来，剩下另一相。该方法对设备要求低，可直接制备纳米纤维基质，但该方法局限于特定聚合物。自组装法的主要机理是分子间

3、的力将小的分子结构单元组装在一起，形成纳米纤维，大分子纳米纤维的形状取决于小分子结构单元的形状。该方法易于获得较细的纳米纤维，但其过程复杂。抽丝法是通过显微控制器来控制一个直径为几微米的微型吸液管牵伸液滴来实现的。该方法对设备要求最低，缺点是其加工过程不连续。模板合成法指的是利用模板或模具获得所需的材料或结构。该方法的优点在于使用模板不同，可以得到不同直径的纤维。相对于前面所述几种纳米纤维的制造方法，静电纺丝法是一种简单有效制备纳米纤维的方法，其制造装置简单，纺丝成本低廉，能够制备长尺寸的、成分多样化的、直径分布均匀的纳米纤维，而且可以

4、适用于大部分聚合物的连续电纺，到目前为止，已经报道的已经大约有100多种聚合物利用静电纺丝技术制备超细或者纳米纤维[7]。静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、吸附性和过滤性强、力学性能好等优点[8,9]，因此吸引了人们在众多领域对静电纺丝纳米纤维技术进行广泛的研究。1静电纺丝的装置及工作原理1.1静电纺丝的装置静电纺丝的典型主要由高压装置、喷丝装置和接收装置三部分构成。其中，高压装置能提供0~50kV的电压，大多数采用直流电源。喷丝装置一般用带有磨平针头的注射器，注射器用来盛放前驱溶液。接收装置一般为接地的金属板。静电纺

5、丝装置如图1所示。图1静电纺丝装置图1.2静电纺丝的工作原理在静电纺丝过程中，高压装置的一个电极插入注射管的前驱溶液中，另一个电极与接收装置相连，开启高压装置，聚合物溶液或熔体被加上几万至几十万伏的高压静电，从而在注射管与接地的接收装置之间产生强大的电场力。由于液体粘滞力的存在，液滴停留在注射器的喷嘴上，随着电场力的增大，液滴被逐渐拉伸成圆锥形，称为Taylor锥[10]。当电场强度增大到某一临界值时，电场力克服表面张力，带电液体就会从泰勒锥的顶点喷射出来，形成带电射流，射流在运动过程中，经过一个不稳定的拉伸过程并且溶剂不断地挥发，最终

6、固化以无序状排列在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡[11]。静电纺过程如图2所示。图2静电纺过程示意图2国内外研究现状分析纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围（1~100nm）内的线（管）状材料。目前制造纳米纤维的方法有很多，如拉伸法、模板合成法、微相分离法、自组装法、静电纺丝法等。其中静电纺丝法具有价格低廉、设备简单、操作简易、高效等优点，是目前使用最为广泛的纳米纤维制备方法，也是目前能够直接连续制备纳米纤维的唯一有效方法。通过静电纺丝法制得的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、长径比大、力学性能好等优点，许多材料

7、包括天然聚合物、合成聚合物以及它们的混合物都可以通过静电纺丝成功制备纳米纤维，到目前为止，经报道的已经大约有100多种聚合物利用静电纺丝技术制备超细或者纳米纤维。随着纳米纤维研究的迅速升温，高压静电场纺丝技术又引起了人们对其深入研究的兴趣，并在众多领域对静电纺丝纳米纤维进行广泛地研究，目前，静电纺丝纳米纤维在过滤材料、药物传递、伤口防护、骨架组织工程、航空航天及燃料电池材料等领域都有广泛的应用。2013年Datsyuk等采用静电纺丝技术制备高导热核-壳结构的碳纳米管-聚苯并咪唑复合纳米纤维，当复合纤维中碳纳米管的质量分数为1.94%时，

8、复合纤维的热导率可增加近50倍。2014年Kim等以静电纺碳化硅(SiC)纳米纤维为增强体，全氟磺酸膜为基体，制备了SiC纳米纤维增强复合材料,该SiC纳米纤维增强复合材料非常适合应用于燃料电池材料。201