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    >技術資料>應用說明

    靜電紡絲
    發布時間:2020-02-24    來源:威思曼高壓電源    瀏覽量:2498


          靜電紡絲就是高分子流體靜電霧化的特殊形式,此時霧化分裂出的物質不是微小液滴,而是聚合物微小射流,可以運行相當長的距離,最終固化成纖維。

          靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝,聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲。在電場作用下,針頭處的液滴會由球形變為圓錐形(即“泰勒錐”),并從圓錐尖端延展得到纖維細絲。這種方式可以生產出納米級直徑的聚合物細絲。

          靜電紡絲技術的起源

       “靜電紡絲”一詞來源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”,國內一般簡稱為“靜電紡”、“電紡”等。1934年,Formalas發明了用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利,其專利公布了聚合物溶液如何在電極間形成射流,這是首次詳細描述利用高壓靜電來制備纖維裝置的專利,被公認為是靜電紡絲技術制備纖維的開端。但是,從科學基礎來看,這一發明可視為靜電霧化或電噴的一種特例,其概念可以追溯到1745年。靜電霧化與靜電紡絲的最大區別在于二者采用的工作介質不同,靜電霧化采用的是低粘度牛頓流體,而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣,靜電霧化技術的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據和基礎。對靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學、電流體力學、流變學、空氣動力學等領域。

          20世紀30年代到80年代期間,靜電紡絲技術發展較為緩慢,科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上,發布了一系列的專利,但是尚未引起廣泛的關注。進入90年代,美國阿克隆大學Reneker研究小組對靜電紡絲工藝和應用展開了深入和廣泛的研究。特別是近年來,隨著納米技術的發展,靜電紡絲技術獲得了快速發展,世界各國的科研界和工業界都對此技術表現出了極大的興趣。此段時期,靜電紡絲技術的發展大致經歷了四個階段:

    第一階段主要研究不同聚合物的可紡性和紡絲過程中工藝參數對纖維直徑及性能的影響以及工藝參數的優化等;

    第二階段主要研究靜電紡納米纖維成分的多樣化及結構的精細調控;

    第三個階段主要研究靜電紡纖維在能源、環境、生物醫學、光電等領域的應用;

    第四階段主要研究靜電紡纖維的批量化制造問題。上述四個階段相互交融,并沒有明顯的界線。

          靜電紡絲技術現狀

          通過靜電紡絲技術制備納米纖維材料是近十幾年來世界材料科學技術領域的最重要的學術與技術活動之一。靜電紡絲并以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質種類繁多、工藝可控等優點,已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲技術已經制備了種類豐富的納米纖維,包括有機、有機/無機復合和無機納米纖維。然而,利用靜電紡絲技術制備納米纖維還面臨一些需要解決的問題。首先,在制備有機納米纖維方面,用于靜電紡絲的天然高分子品種還十分有限,對所得產品結構和性能的研究不夠完善,最終產品的應用大都只處于實驗階段,尤其是這些產品的產業化生產還存在較大的問題。其次,靜電紡有機/無機復合納米纖維的性能不僅與納米粒子的結構有關,還與納米粒子的聚集方式和協同性能、聚合物基體的結構性能、粒子與基體的界面結構性能及加工復合工藝等有關。如何制備出適合需要的、高性能、多功能的復合納米纖維是研究的關鍵。此外,靜電紡無機納米纖維的研究基本處于起始階段,無機納米纖維在高溫過濾、高效催化、生物組織工程、光電器件、航天器材等多個領域具有潛在的用途,但是,靜電紡無機納米纖維較大的脆性限制了其應用性能和范圍,因此,開發具有柔韌性、連續性的無機纖維是一個重要的課題。

          靜電紡絲技術的應用

          隨著納米技術的發展,靜電紡絲作為一種簡便有效的可生產納米纖維的新型加工技術,將在生物醫用材料、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領域發揮巨大作用。

          ①在生物醫學領域,納米纖維的直徑小于細胞,可以模擬天然的細胞外基質的結構和生物功能;人的大多數組織、器官在形式和結構上與納米纖維類似,這為納米纖維用于組織和器官的修復提供了可能;一些電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性,可作為載體進入人體,并容易被吸收;加之靜電紡納米纖維還有大的比表面積、孔隙率等優良特性,因此,其在生物醫學領域引起了研究者的持續關注,并已在藥物控釋、創傷修復、生物組織工程等方面得到了很好的應用。

          ②纖維過濾材料的過濾效率會隨著纖維直徑的降低而提高,因而,降低纖維直徑成為提高纖維濾材過濾性能的一種有效方法。靜電紡纖維除直徑小之外,還具有孔徑小、孔隙率高、纖維均一性好等優點,使其在氣體過濾、液體過濾及個體防護等領域表現出巨大的應用潛力。

          ③靜電紡纖維能夠有效調控纖維的精細結構,結合低表面能的物質,可獲得具有超疏水性能的材料,并有望應用于船舶的外殼、輸油管道的內壁、高層玻璃、汽車玻璃等。但是靜電紡纖維材料若要實現在上述自清潔領域的應用,必須提高其強力、耐磨性以及纖維膜材料與基體材料的結合牢度等。

          ④具有納米結構的催化劑顆粒容易團聚,從而影響其分散性和利用率,因此靜電紡纖維材料可作為模板而起到均勻分散作用,同時也可發揮聚合物載體的柔韌性和易操作性,還可以利用催化材料和聚合物微納米尺寸的表面復合產生較強的協同效應,提高催化效能。

          ⑤靜電紡納米纖維具有較高的比表面積和孔隙率,可增大傳感材料與被檢測物的作用區域,有望大幅度提高傳感器性能。此外,靜電紡納米纖維還可用于能源、光電、食品工程等領域。

    靜電紡絲技術的發展方向

          靜電紡絲技術在構筑一維納米結構材料領域已發揮了非常重要的作用,應用靜電紡絲技術已經成功的制備出了結構多樣的納米纖維材料。通過不同的制備方法,如改變噴頭結構、控制實驗條件等,可以獲得實心、空心、核-殼結構的超細纖維或是蜘蛛網狀結構的二維纖維膜;通過設計不同的收集裝置,可以獲得單根纖維、纖維束、高度取向纖維或無規取向纖維膜等。但是靜電紡絲技術在纖維結構調控方面還面臨一些挑戰:首先,要想實現靜電紡纖維的產業化應用,就必須獲得類似于短纖或者連續的納米纖維束,取向纖維的制備為解決該問題提供了一條有效的途徑,但是距離目標還有不少差距,今后的工作就要設法通過改良噴頭、接收裝置以及添加輔助電極等使纖維盡可能伸直并取向排列,獲得綜合性能優異的取向纖維陣列。其次,作為靜電紡納米纖維全新的研究領域—納米蛛網的研究還在初期階段,納米蛛網的形成過程的理論分析和模型建立尚需深入研究。此外,要想提高靜電紡纖維膜在超精細過濾領域的應用性能,就必須降低纖維的直徑,如何將纖維平均直徑降低到20nm以下是靜電紡絲技術面臨的一個挑戰;要想提高纖維在傳感器、催化等領域的應用性能,通過制備具有多孔或中空結構的納米纖維來提高纖維的比表面積是一種有效方法,但仍需進一步的研究。

          威思曼高壓電源使用于靜電紡絲高壓電源:

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