静电纺丝纳米纤维的制备与应用

静电纺丝技术是一种简单有效、廉价、无污染的制备纳米纤维的新方法,近年来在制备纳米纤维领域得到了广泛应用.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,在过滤材料、生物医学、传感器、电子器件等领域都有着良好的应用前景.本文综述了静电纺丝制备纳米纤维的基本原理和最新发展,阐述了近几年来国内外静电纺丝纤维在过滤材料、生物医学、传感器、电子器件及其他一些特殊领域中的研究现状,并展望了静电纺丝纳米纤维的发展趋势和研究方向.     

熔体微分静电纺丝纳米纤维高效绿色制备技术

纳米纤维在生物医疗、高效过滤及生化防护等领域有着广泛的应用前景。静电纺丝被学术界及工业界认为是最具产业化制备纳米纤维的前景技术之一,其中熔体静电纺丝无需使用溶剂,相比溶液静电纺丝,避免了有毒溶剂残留、回收及处理等问题,是聚合物纳米纤维绿色制造的发展方向。然而,受到装备复杂、工艺滞后的影响,熔体静电纺丝始终未能突破纤维细化难、制备效率低的瓶颈。为此,团队创新提出了熔体微分静电纺丝新方法,经过十余年探索,围绕其工艺、装备、材料及应用等进行了系统的研究,率先实现了500 nm范围内熔体电纺纳米纤维的工业化制备,并建立了世界上第一套熔体微分静电纺丝纳米纤维工业化生产线。本文将从熔体微分静电纺丝的机理、关键技术、纳米纤维批量绿色制造及应用三个方面介绍熔体微分静电纺丝的研究成果及最新进展。     

熔体静电纺丝技术研究进展

熔体静电纺丝技术作为一种不使用溶剂的超细纤维绿色制备工艺，在高性能无纺布、生物医药和高效过滤等方面有着广泛的应用。本文简单回顾了熔体静电纺丝研究历史，阐述了熔体静电纺丝工艺特点，综述了近年来熔体静电纺丝工艺、材料、装置及应用新进展，介绍了笔者团队熔体微分静电纺丝技术，并在最后提出几点对未来熔体静电纺丝研究重点的看法。通过本文，以期增进对超细纤维绿色制造新理论、新方法和新装备的认识。     

一种新型静电纺丝装置及其喷头的电场模拟

针对目前静电纺丝装置产量低、纺丝不稳定的问题,设计了一种新型静电纺丝装置并对其喷头进行静电场模拟.首先,对新型静电纺丝装置进行了总体设计;然后,对锯齿式纺丝喷头、刷液头、辅助运动机构等部件进行具体设计分析;在此基础上,运用有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3建立喷头模型,分析其外部电场的分布规律,理论上验证喷头纺丝的可行性;最后通过静电纺丝实验调整优化喷头设计及纺丝工艺参数.纳米纤维形貌特征的电镜观察结果表明,锯齿式静电纺丝装置可以实现纺丝的连续化,使纳米纤维的规模化生产成为可能.     

静电纺丝及其在纳米复合材料制备中的应用研究

本文介绍了静电纺丝的发展史、原理、设备及其在复合材料制备中的应用.借助于静电力的纺丝过程被称为静电纺丝.静电纺丝可以制备直径在微米以下甚至纳米级的纤维.近年来,随着纳米技术的兴起,静电纺丝受到研究者们的广泛重视.静电纺丝制备的纳米纤维可直接用于制备纳米复合材料,也可经高温处理后成为纳米碳纤维,后者在复合材料中也有很大的潜在用途.     

锯齿引导型无针熔体微分电纺工艺

提出一种锯齿引导型无针熔体微分静电纺丝工艺方法,用来改进熔体静电纺丝纤维直径不均匀问题。首先将其与无锯齿引导型无针熔体微分静电纺丝进行对比,然后在自制的设备上进行正交试验,以探究其最佳纺丝工艺参数。试验结果表明:锯齿引导提高了纤维的均匀性,在聚丙烯(PP)进料流速一定的条件下,最佳纺丝工艺参数为纺丝温度240℃、纺丝电压65 k V以及纺丝距离105 mm;在此条件下测得最小的纤维平均直径为820 nm。     

静电纺丝的电场分布对纳米纤维取向的影响

旋转收集法是静电纺丝中收集取向纤维的主要方法,但试验表明仅仅依靠高速旋转难以获得取向纤维,由此表明许多因素影响纤维取向.采用Maxwell软件对静电纺丝中不同条件下的电场分别进行仿真,分析了电场分布对纤维取向的影响.根据仿真结果,提出了改善电场分布和增强纳米纤维取向效果的有效方法,包括选择对称的框架结构、穿套辅助板的喷丝嘴、中继环形电极,按照最佳电场分布改进静电纺丝装置,并进行了静电纺丝,获得了取向较高的静电纺纳米纤维,证实了该仿真结果的准确性.     

明胶水溶液静电纺丝成形研究

以水为溶剂制备明胶溶液进行静电纺丝,在60 ℃～65 ℃纺得明胶超细纤维,探讨了溶液质量分数、静电电压及纤网收集距离等因素对明胶/水溶液体系静电纺丝成形的影响。结果表明,在60 ℃及65 ℃时,明胶溶液的黏度随其质量分数的增加而大幅上升,呈2次指数关系;随着明胶溶液质量分数的降低（从25%降到15%）,所得纤维平均直径减少（从266.5 nm降为167.7 nm）;随着静电纺丝电压升高,纤维直径下降,当电压大于17 kV以后其变化趋于平缓;改变静电纺丝收集距离,从11 cm到21cm,电纺所得的纤维直径为165～210 nm,变化幅度不大。     

电场分布对静电纺丝纤维直径的影响

为了研究电场对静电纺丝纤维直径的影响,设计两种具有不同电场分布的单针头和辅助板静电纺丝装置,采用聚氧化乙烯(PEO)为原料,在两种纺丝装置中,分别设计不同纺丝电压、纺丝接收距离和纺丝流量参数下的对比试验.并用Maxwell软件模拟纺丝装置中的电场强度分布,结合试验结果说明电场分布影响静电纺丝的纤维直径,从而得出在均匀电场中所纺丝的纤维直径较小.     

明胶水溶液的静电纺丝成形

以水为溶剂制备明胶溶液进行静电纺丝,在60～65℃纺得明胶超细纤维,探讨了明胶用量、静电电压及纤网收集距离等因素对明胶水溶液静电纺丝成形的影响．结果表明：在60～65℃范围内,明胶溶液的黏度随明胶用量的增加而大幅上升,呈2次指数关系;随明胶用量的降低（从25％降到15％）,所得纤维平均直径减小（从266．5nm降为167．7nm）;随静电纺丝电压的升高,纤维直径下降,当电压大于17kV后其变化趋于平缓;静电纺丝收集距离在11～21cm之间变化时,所得的纤维直径在165～210nm之间,变化幅度不大．     

PAN/HBP复合超细纤维的制备与表征

采用聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺/多氨基超支化聚合物三元体系为纺丝液,通过静电纺丝制备了PAN/HBP复合超细纤维,探讨了聚丙烯腈浓度、超支化聚合物含量、纺丝电压、接收距离和推进速度等因素对复合纤维直径和形貌的影响.结果表明,增大PAN浓度和增加HBP含量,都会使纤维直径增大;静电纺丝电压增大,可以减小纤维直径;适当的接收距离和推进速度才可以获得直径细而均匀的纤维.通过对PAN/HBP复合超细纤维的氨基含量测试和FTIR分析,进一步证实了PAN/HBP复合纤维表面和内部氨基的存在.     

聚乙烯醇静电纺丝法固定葡萄糖氧化酶

利用静电纺丝纳米纤维具有高比表面积和多孔疏松结构的优势固定葡萄糖氧化酶，以提高酶电极的性能．通过聚乙烯醇（PVA）和葡萄糖氧化酶（GOD）共同静电纺丝的方法在金电极表面获得了固定化酶膜，用于构筑安培型葡萄糖生物传感器，膜的红外光谱、紫外-可见光谱和扫描电镜的分析均表明酶成功固定在静电纺丝形成的纳米纤维膜中．循环伏安测试表明固定化酶在静电纺丝纳米纤维中保持了活性，采用PVA静电纺丝法固定COD比利用浇铸膜法所得到的酶修饰电极对葡萄糖有更好的电流响应特性，通过在静电纺丝溶液中加入纳米金进一步提高了酶电极的电化学响应特性．     

静电纺丝法制备有序排列的纳米纤维最新进展

静电纺丝法是一种制备功能材料纳米纤维的比较简单通用的方法。一般情况下制备的纤维是直径从微米到纳米尺度不等且排列无序的纤维。近年来,有序排列的纳米纤维由于其自身独特的电学、磁学以及光学等方面的物理性质,引起了人们广泛的关注。通过改变静电纺丝仪的收集极或内部电场分布,可以制备有序排列的纳米纤维。综述了近年来报道的几种收集有序排列的纳米纤维的方法。     

稀土氧化物微纳米纤维的静电纺丝制备及其应用

简述了静电纺丝的装置和基本原理,重点介绍了静电纺丝法制备稀土氧化物微纳米纤维的工艺条件、影响纤维性能的主要因素以及近年来国内外的应用进展,并对稀土氧化物微纳米纤维的未来研究发展进行了展望.     

基于纳米纤维LaCoO_3修饰的酪氨酸电化学传感器

通过静电纺丝的技术合成了纳米纤维LaCoO3,并将其作为电极修饰材料制备了一种新型的酪氨酸电化学传感器。     

间歇式静电纺丝制备纳米纤维药物控释系统

利用间歇式静电纺丝技术,分别以聚乳酸(PLLA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙二醇(PEG)等高分子材料单独或以不同配比制备纳米纤维.针对纺丝过程中容易出现的黏连现象,通过间歇式静电纺丝技术的控制,有效避免了黏连.对所得纳米纤维产品的形貌、结构、性质进行表征,初步考察所制备的纳米纤维在不同溶液中的降解行为,以选择合适的体系作为可控降解的载体担载不同的药物,构建载药复合纳米纤维.     

PA6/PVA复合纳米纤维的制备及性能研究

采用静电纺丝法制备了PA6/PVA复合纳米纤维.分析了不同质量比的PA6/PVA共混纺丝溶液的粘度、电导率、表面张力,并探讨其静电纺丝效果.采用扫描电镜、红外光谱、表面张力仪等对纳米纤维膜的形貌结构、成分相容性及亲水性能进行表征.结果表明,在纺丝电压为19kV、纺丝距离为20cm、丝液流量为0.2mL/h的条件下,共混溶液质量比为12%∶4%时的静电纺丝所得纤维具有良好的形貌,复合纳米纤维中PA6与PVA具有良好的相容性,并有效地克服了纯纺PVA纳米纤维在水溶液中出现的过度溶胀问题.     

静电纺丝法制备高分子纳米纤维的成因研究

对静电纺丝法制备高分子纳米纤维的成因进行了探究,主要通过分析高分子的结构与纺丝条件,寻找到静电纺丝法制备纳米纤维材料的一般规律。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了高分子结构、分子量、溶液浓度和溶剂对高分子纳米纤维形貌的影响。实验结果表明:决定能否形成纤维的主要因素是高分子的结构和分子量,纤维的直径随着高分子溶液浓度的增加而增加,溶剂的挥发速率对纤维的形貌有决定性的影响。因此,利用静电纺丝法制备纳米纤维时应着重考虑以上四个因素的影响。     

电场均匀性对三孔和三针头静电纺丝的影响

为了研究电场分布对静电纺丝纤维直径的影响,设计一种以孔代替针头的平面三孔静电纺丝装置,与传统三针头静电纺丝装置进行对比试验,同时用Maxwell软件对两种静电纺丝装置的电场分布进行模拟.试验与模拟结果表明:以孔代替针头的纺丝装置中的电场分布更加均匀,所纺纤维直径更小且分布更加均匀.     

近场静电纺丝制备纳米纤维及应用的研究进展

静电纺丝技术是一种简易、高效制备微纳米纤维的技术,其制备的纤维直径在几个纳米到几个微米之间,具有独特的物理化学性质。因此探索和开发静电纺丝技术及纤维的应用成为各国的研究热点。由于电纺中高压静电存在安全、能耗问题,以及近年来对可控沉积纳米纤维的迫切需求,出现了低压近场电纺技术。具有纺丝电压低,纤维精确可控沉积的特点,在微纳加工技术及生物医学等领域具有巨大的应用潜力。综述了近场静电纺丝技术的机理、发展、最新进展及应用前景。