静电纺丝制备微纳纤维的形貌表征与影响机理分析-论文.pdf

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1、错学屯教2012年第57卷第10期：860—866《}l国科学》杂志社1^『、『lnMscichina．comcsb．scichina．COrnSCIENCECHINAPRESS静电纺丝制备微纳纤维的形貌表征与影响机理分析王小梅，黄永安，布宁斌，段永青，尹周平华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉430074联系人，E—mail：yahuang@hust．edu．cn；yinzhp@mail．hust．edu．cFI2011-12—05收稿，2012—02．21接受国家自然科学基金(51035002，51175209)和中央高校基本科研业务

2、费专项资金(2ol1TS024)资助摘要静电纺丝作为一种广泛采用的纳米纤维制备技术，影响其纤维形貌的主要因素包括j关键词材料参数、工艺参数和环境因素等．采用聚氧化乙烯(PEO)溶液，通过研究溶液属性(分子静电纺丝量、质量分数、电导率)和S-艺参数(工艺电压、电极间距、喷嘴内径等)对纤维形貌的影响，得纳米制造出相关参数对纤维直径和形貌的作用规律．研究结果表明：当PEO质量分数由4％到8％时，给撒上己图案形貌经历了球状颗粒一珠丝共存一纤维的演变过程；分子量由40万到60万时，纤维由珠电液流体动力喷叩丝结构变成均匀光滑的丝，进一步增大分子量，纤维开始变得粗细

3、不均并出现锯齿结构；当电导率由151到355I．ts／cm时，纤维直径变粗5倍；工艺电压(25～30kV)增加，纤维直径先增加后减小，梭形颗粒先增多后减少；电极间距05～25cm)的增加使PEO纤维的直径减小，梭．形颗粒先增加后减少；喷嘴内径由160I．tm增大到600岬时，纤维先是变得均匀光滑，后出现黏并结构．这些研究结果能够更好地指导静电纺丝技术在生物医用、纳米装置及纳米制造等领域的应用．静电纺丝工艺(electrospinningtechnique)作为一过滤阻隔材料、生物医用『4J、超敏感传感器l6{、纳米种重要的电流体喷印制造技术IlI，其原

4、理是使带电高装置及纳米制造[7,81领域具有广泛的应用．近年来人分子溶液(或熔体)在静电场中发生流变形成射流，经们从理论和实验两方面对静电纺丝技术特别是静溶剂蒸发或熔体冷却而同化，从而得到纤维的方法．电纺丝纤维彤貌¨进行了研究．影响静电纺丝纤维静电纺丝不同于传统纺丝方法，需要对聚合物溶液形貌的参数有很多，主要包括溶液性质【¨(溶液质或熔体施加几千至上万伏高压静电，带电的聚合物量分数即溶液浓度、分子量、溶剂、导电性、黏度、溶液在电场力的作用下沿毛细管运动，聚集在喷丝表面张力、pH值、聚合物分子链支化等)、艺参口处形成液滴．当电场力足够大时，聚合物液滴表面

5、数[15,161(电极间距、电场强度与形态、喷头的材料、分子克服表面张力形成喷射流，在高分子细流喷射形状和孑L径等)，以及微环境因素’(温度、湿度、气到接收装置的过程中溶剂不断挥发，最终形成纳米流状况等)等，对静电纺丝过程的可控制性提厂挑纤维．由于喷射过程的不稳定性，导致纤维在经过一战．Reneker等人【I引研究了PEO水溶液的静电纺丝T段直线飞行之后会出现螺旋“鞭动”现象，通常在基艺，发现如果溶液浓度过低，聚合物稀溶液表面张／，J板上收集到纤维的网状结构．静电纺丝分为近场静大且分子缠结比较低，静电纺丝得到的是液滴1fI『电纺丝皿和普通静电纺丝两种，

6、本文研究的静电纺丝是纤维；想要获得静电纺丝纤维I19,201，溶液黏度必须是指普通的静电纺丝．高于某一特定值，且其分子要有足够的分子缠结，随1934年，静电纺丝早由FormhalsI引提出，因其可着静电纺丝溶液浓度的增加，纤维的直径会随之增以在常规环境下制备出高度一致性的纳米纤维，在加．Deitzel等人l2ll研究发现纤维直径与溶液浓度遵英文引用格式：WangXM，HuangYA，BuNB，eta1．Morphologycharacterizationandinfluentialmechanismanalysisofelectrospunmicro／

7、nano—fiber(inChinese)．ChinSciBull(ChinVet)，2012，57：860-866，doi：10．1360／972011-1071钭学屯极2012年4月第57卷第10期加DoshiJ，RenekerDH．Electrospinningprocessandapplicationsofelectrospunfibers．JElectrostat，1995，35：151-160KoskiA，YimK，ShivkumarS．EffectofmolecularweightonfibrousPVAproducedbyelectro

8、spinning．MaterLett，2004，58：493—497SonWK，YoukJH，