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1、第24卷第12期高分子材料科学与工程Vol.24,No.122008年12月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGDec.2008电纺丝制备纳米纤维的研究进展朱振东,刘杰(北京化工大学碳纤维国家工程中心,北京100029)摘要:文中扼要回顾近年来电纺丝技术研究进展,包括:电纺丝工作原理和部分关键设备;控制尺寸、结构、取向及复合材料制备等;探讨连续化生产和组装纳米纤维;典型应用领域及电纺丝技术展望。关键词:电纺丝;纳米纤维;电纺丝设备中图分类号:TB384文献标识码:A文章编号:100
2、027555(2008)1220001205一维纳米材料,自Iijima[1]首次报道碳纳[3]纺丝技术自1934年Formhalas首次报道以米管以来,相继合成了纳米纤维、线、棒、带等,来,一直沿用静电纺丝的称谓,1993年后,引起国内外学者高度关注。在于贽美的多样性RenekerDH等推陈电纺丝(electrospinning)这形貌和巨大工业价值,如光电子材料及生物材[4]一专业术语。此后广为接受。[2]料等,而纳米碳纤维尤为瞩目。一维纳米材本文扼要回顾近年来电纺丝技术研究进料制备方法有模板法、自组装等。其中源自
3、静展,主要内容有:(a)工作原理和部分关键设备;电纺丝的电纺丝,是一种制备纳米纤维最简单、(b)控制尺寸、结构及取向等;(c)探讨连续化生切实可行的方法,也是最具前景的方法。电纺产和组装纳米纤维;(d)典型应用领域及展望电丝是基于粘流态高分子溶液或熔体在喷丝头处纺丝技术。通过静电沿轴向单轴拉伸而获得纳米纤维。电Fig.1SchemesofTaylorconeclassicalPanorama(left)andpolarizationofprocessofajetelectrospinningfibers(right)1
4、电纺丝工作原理与影响因素压静电场发生器。无外电压激励时,纺丝液在1.1电纺丝工作原理其重力、储液管壁间粘附力及自身黏度和表面[7]电纺丝工作原理涉及电学和流体力学。张力协同作用下形成液滴悬挂于喷口;外电压纺丝液或熔体置于储液管中,纺丝液连接外高激励后,阴离子或分子中的富电子部分将向阳收稿日期:2007210209;修订日期:2007211216基金项目:国家973计划(2006CB605304);国家863计划(2006AA06Z382);国家重点自然科学基金(50333070);国家自然科学基金资助项目(506730
5、11)联系人:刘杰,主要从事高性能炭纤维与功能炭纤维的基础理论与应用研发,E2mail:liuj@mail.buct.edu.cn2高分子材料科学与工程2008年极聚集,阳离子或分子中的缺电子部分反向聚电场强度、溶液推进速率的影响,认为可纺浓度[9]集,受到阳极排斥电荷极化后分布在液滴表面,为20%(质量分数)～40%(质量分数)。Li溶液表面张力与表面分子受到的电场力的方向研究了PVP纤维证实增加浓度则显著降低串相反,克服电场间库仑力。外电场力较小不足珠密度,相同浓度下,添加适量盐增加网格电荷以使溶液喷出,球形液滴被
6、牵伸为锥形———密度,或采用低表面张力溶剂也能明显减少串[8](如Fig.1)。外界条件一定,外电[8]Taylor锥珠。Yarin等发现形成带有珠串缺陷纤维与场力超过某临界值时,带电荷部分克服溶液表[15]溶液喷射流不稳定流动有关。Magarvey等面张力从溶液中喷出,形成带电的喷射流,喷头[16]认为强电流有助于减少珠串缺陷。Tan等发电场提供拉伸和抗扰,喷射液滴被连续取向,形现增加电场强度或溶液推进速率,纤维直径增成细长纤丝,溶剂挥发后,预期尺寸的丝通常随加,串珠减少。机地溅落在接收器上[8]。[11]电纺纤维直
7、径反比分子量1/2次方。外电场中的纺丝液滴成纤分形问题一直备高聚合度PVA纳米纤维具有更好的结晶性、热受关注,也非常复杂。目前存在两种矛盾观点,稳定性和力学性能。电纺丝影响聚合物结晶Reneker等认为不发生[8],Xia等认为发生[9]性。[16]Deitzel等认为PEO电纺丝结晶级数低(Fig.1)。我实验室比较支持前者。1999年于粉末结晶级数。溶剂性质也影响聚合物电纺前,通常认为是表面电荷脉冲导致纺丝液滴在丝。研究[17]发现PEO氯仿溶液、乙醇溶液和[3,4]电场中扩张破裂成纤。近来认为:喷丝头水溶液可纺最
8、低电压约为13kV,PEO的DMF液滴带电细化成纤与极化带电的纺丝液滴密切溶液可纺最低电压约为25kV,且溶剂介电常[7]关系。纺丝液滴由最初极化诱导成Taylor数越大,纤维直径越细。空气湿度增加,纤维表[7～9]锥形不稳定状态,由多个细小液滴组成。面孔数量、孔径大小和孔径分布增加,不影响纤高速数码相机证实外壳包只含一个线性细小
