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。     

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。     

内外双层锥面熔体微分静电纺丝实验研究

为了进一步提高单喷头纤维的产量,在熔体微分静电纺丝的基础上,设计开发了一种结合内外锥面的双层熔体微分静电纺丝装置。通过COMSOL Multiphysics数值仿真软件对其电场进行对比分析,得出增加的内层锥面对外层电场有一定的削弱作用。通过实验分析了内层锥面伸出距离对内外层射流的影响,找到了最佳参数,并且在此参数下,验证了不同电压下的纺丝效果,结果表明,随着电压的增加,内外层锥面电场增加程度相同,内外层纤维直径达到了均匀分布。最后分别采用吹风和吸风辅助对纤维进行了细化,为静电纺丝法制备超细纤维的产业化提供参考。     

杂多酸H6P2W18O62超细纤维毯的制备与表征

利用高压静电纺丝手段制备了H6P2W18O62/聚乙烯醇超细纤维毯,并将其在380℃下焙烧4 h,获得了纯杂多酸H6P2W18O62超细纤维毯.通过红外光谱、X射线粉末衍射以及扫描电镜(SEM)等手段对所制备的杂多酸H6P2W18O62超细纤维毯进行了表征,结果表明:通过高压静电纺丝与焙烧手段的结合,能够获得纯多酸的超细纤维形态.     

熔体静电纺丝3D电场模拟

采用有限元分析软件ANSYS对熔体静电纺丝平台模型进行三维电场模拟。分析了纺丝系统在不同电压下的电场分布情况，重点讨论了内锥面喷头间距对纺丝尖端电场的影响。发现在间距为100mm时，内锥面喷头纺丝尖端场强分布最为均匀|纤维路径上的场强随着喷头数量、施加电压的增加而增加，随着喷头间距增加无明显变化；场强较强处出现在纺丝尖端和接收板边缘。在模拟基础上研发了新型一分四的熔体微分静电纺丝机，制备了均匀分布的纤维，为进一步设计纳米纤维宏量化生产的纺丝设备提供参考。     

静电纺丝制备生物降解性聚合物超细纤维

以丙酮为溶剂，用静电纺丝法，制备了聚丙交酯(PLA)及其与己内酯共聚物(PUA-CL)的超细纤维。考察了溶剂、电压、溶液质量分数及流量对超细纤维形貌和直径的影响。结果表明，在静电纺丝过程中，由于溶剂易于挥发，经常会造成喷头堵塞。PLA与PLA—CL的静电纺丝结果相似：纺丝初期，降低电压，增加溶液质量分数和流量，C得到直径小于1．5μm的超细纤维；纺丝后期，受溶剂挥发的影响，可得到直径为700—900nm的螺旋状超细纤维。     

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.     

反应静电纺丝法制备超细三聚氰胺纤维

采用反应静电纺丝法制备了三聚氰胺超细纤维电纺膜.通过扫描电子显微镜(SEM)研究了纺丝过程中溶液黏度、纺丝电压、接收距离和电导率4个参数对超细纤维的形貌及平均直径的影响,并采用热重分析(TG)研究了电纺膜的耐热性能.结果表明,纤维平均直径d与溶液黏度η、纺丝电压V分别符合关系式d∝η0.33和d∝ V-0.25,纤维平均直径随接收距离增加先减小后增加,电导率的增加使纤维平均直径下降.当PVA质量百分数为8%、纺丝电压为18kV、固化距离为12.5cm、NaCl质量百分数为0.1%时可以纺制出表面光滑、平均直径为400-600nm、耐热性能良好的超细三聚氰胺纤维电纺膜.     

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.     

静电纺丝技术研究进展及其应用

简述了静电纺丝技术的原理和静电纺丝工艺的主要影响因素;介绍了静电纺丝法在生物医用功能材料、过滤介质材料、增强复合材料、传感器、电子材料、新型特殊纤维等领域的应用;指出静电纺丝制备纳米纤维的研究方向。     

Bio-manufacturing technology based on diatom micro- and nanostructure

Diatom frustules,considered as novel bio-functional materials,display a diversity of patterns and unique micro-and nanostructures which may be useful in many areas of application.Existing devices directly use the original structure of the biosilica frustules,limiting their function and structural scale.Current research into the shapes,materials and structural properties of frustules are considered;a series of frustule processing methods including structure processing,material modification,bonding and assembly techniques are reviewed and discussed.The aim is to improve the function of diatom frustules allowing them to meet the design requirements of different types of micro devices.In addition,the importance of the comprehensive use of diatom processing methods in device research is discussed using biosensors and solar cells as examples,and the potential of bio-manufacturing technology based on diatom frustules is examined.     

Mechanical milling assisted by electrical discharge

Mechanical milling is an effective technique for the preparation of fine metallic and ceramic powders and can also be used to drive a wide range of chemical reactions. Milling devices include planetary machines, attritors and vibrational mills; products include amorphous, nanocrystalline and quasicrystalline materials, supersaturated solid solutions, reduced minerals, high-surface-area catalysts and reactive chemicals. During milling, solid-solid, solid-liquid and solid-gas reactions are initiated through repeated deformation and fracture of powder particles. A separate materials synthesis and processing technique involves reacting a material in a gas atmosphere under an electrical discharge. Here we show that the application of low-current, high-voltage electrical impulses during milling can result in both faster reactions and new synthesis and processing routes. We demonstrate the effects of glow (cold) and spark (hot) discharge milling on particle fracture for brittle, low-conductivity materials and ductile metals. Glow discharge milling was found to promote solid-gas reactions whereas spark discharge milling promotes fast fracturing, recrystallization, mineral reduction and solid-solid reactions.     

材料科学的一个新生长点——生态材料学

针对材料产业的现状和发展趋势，提出了生态材料学的概念，即生态材料学的关于材料及材料循环过程与生态环境相互作用的科学，其目的在于使材料在满足所需性能的前提下，具有优良的生态环境协调性。分析了生态材料学的基本思想和主要研究内容，给出了环境负荷表达式和材料科学与工程的新判据。以铝合金熔体纯净化生态处理工艺为例，指出了材料科学与工程的发展方向。     

雾化喷射沉积成形材料制备技术的新进展

雾化喷射沉积成形是一种新型的近终型坯件制备技术，可用于不同合金，该技术已经开始进入工业化应用阶段，它具有快速凝固一次成形的优点，为新材料的研究与发展提供了有力的工具，受到世界各国的重视，本文对喷射沉积成形技术的发展现状及其在材料科学研究中的应用情况进行了综合评述。     

机械合金化的研究进展

机械合金化(MA),作为制备合金粉末的一种高新技术,使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化和远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质的合成成为可能.MA技术引起了材料科学界的广泛关注.综述了近年来机械合金化在理论模型和固态反应方面的研究情况,详细介绍了MA技术在制备弥散强化合金、金属间化合物、功能材料和亚稳材料(包括非晶、准晶、过饱和固溶体、纳米晶等)中的应用进展,展望了机械合金化的发展趋势.     

KNN基无铅压电陶瓷的研究进展

KNN基无铅压电陶瓷由于具有优越的电学性能和较高的居里温度而成为最重要的无铅压电材料之一.本文主要综述近期国内外有关铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备新技术,以及在掺杂改性方面的研究进展,并展望了其发展趋势.     

密封继电器内气样提取技术的研究

介绍了自制的气体取样技术，这项技术成功地解决了国内外存在的处于工作环境温度和动作过程中提取密封继电器罩内气样的技术难题．它不仅可靠地提取密封继电器的气样，而且还可对其它充气密封元器件的气样进行卓有成效的提取，也可对各种材料释放的气体进行取样，供高灵敏度的四极质谱计分析．从而为我国的密封元器件按ＧＪＢ５４８第１０１８条规定的实施检测创造了有利条件     

有机-无机混合阳离子钙钛矿发光二极管研究进展

 有机-无机杂化钙钛矿具有制备方便、光学带隙可调、电荷传输性能优异等特性,正成为新一代革命性的半导体光电材料。随着研究的不断发展,钙钛矿材料的量子产率已经超过90%。材料合成的快速发展促进了其在光电子器件上的应用,包括太阳能电池、发光二极管、光电探测器和晶体管等。本文回顾了有机-无机混合阳离子钙钛矿发光二极管的最新研究进展,包括材料晶体结构、纳米晶合成过程、器件制备及其光电特性表征。有机-无机混合阳离子为高量子产率钙钛矿纳米晶的合成开辟了一种新的途径,同时也为制备高亮度、高效率发光二极管器件提供了新的思路。     

Ultrafast and direct imprint of nanostructures in silicon

The fabrication of micrometre- and nanometre-scale devices in silicon typically involves lithography and etching. These processes are costly and tend to be either limited in their resolution or slow in their throughput. Recent work has demonstrated the possibility of patterning substrates on the nanometre scale by 'imprinting' or directed self-assembly, although an etching step is still required to generate the final structures. We have devised and here demonstrate a rapid technique for patterning nanostructures in silicon that does not require etching. In our technique which -- we call 'laser-assisted direct imprint' (LADI) -- a single excimer laser pulse melts a thin surface layer of silicon, and a mould is embossed into the resulting liquid layer. A variety of structures with resolution better than 10 nm have been imprinted into silicon using LADI, and the embossing time is less than 250 ns. The high resolution and speed of LADI, which we attribute to molten silicon's low viscosity (one-third that of water), could open up a variety of applications and be extended to other materials and processing techniques.     

Probing the properties of individual nanostructures by novel techniques

Nanomaterials are the fundamental components of nanoscience and nanotechnology, and they are different from bulk materials in grain size, surface/interface-to-volume ratio and grain shape, which are the origins of their unique electrical, optical, thermodynamic, mechanical and chemical properties. The small size of nanostructures hampers the applications of well-established testing and measurement techniques, thus new methods and approaches must be developed for their synthesis, property characterization and device fabrication. This has been the focus of our research, aiming at exploring state-of-the-art techniques for materials processing and characterization. This paper reviews our progress in nanomaterials research.