文档介绍：第一章绪论
当前,随着社会经济的快速发展,由废气、废液等污染物造成的环境污染严重影响着人们的身心及健康,发展高效的、无毒的、对环境友好的材料和技术已成为研究者们的研究热点。用纳米半导体材料作为光催化剂去降解有机污染物因具有催化效率高、催化效果好、稳定性能好、无二次污染等特点,备受人们关注[1-3]。目前已有许多方法被用来制备纳米半导体材料[4-6],其中静电纺丝法是一种简单的、多功能的纳米材料制备方法,它可以制备纳米纤维、纳米管、纳米带等不同结构的纳米材料,并且这些材料能够被广泛地应用在能源、催化、医药等各个方面[7-9],是一种非常有发展前途的技术。
静电纺丝技术的简介
静电纺丝技术的发展
静电纺丝技术起源于20世纪30年代,在1934年,科学家福马斯(Formhals)发现了可以通过静电力制备出聚合物纤维的实验装置,因此申请了关于电纺丝装置的专利[10],并公布了在高压静电的作用下,聚合物是如何形成射流的,他的这一创新被人们认为是静电纺丝技术制备纤维材料的开端。在之后的几十年里,静电纺丝技术并未得到快速的发展,科学研究者们大部分关注于怎么将静电纺丝实验装置进行改进,于此发表了一系列的专利,但是这一技术并没有广泛地引起人们的兴趣。进入90年代,美国的Reneker研究小组广泛深入地对静电纺丝技术及其应用展开了相关的研究[11],此后,伴随着纳米技术的迅速发展,静电纺丝技术也得到了快速的发展,世界许多研究小组,甚至工业界都对其产生了浓厚的兴趣,图1-1展示的是以“静电纺丝”为主题的文献的检索结果,从中可以看出静电纺丝技术的应用和研究在近些年来得到了快速发展。该阶段,静电纺丝技术的研究一般大致可分为四个部分:一是主要使用不同的聚合物进行静电纺丝,并研究纺丝过程中的条件对实验结果的影响,以及这些条件对材料性质的影响,并将其优化等;二是主要研究利用静电纺丝技术制备具有多样化结构的纳米材料;三是主要研究通过静电纺丝法制备的材料在能源、催化、生物等各个领域的应用;四是研究利用静电纺丝法大面积批量制备纳米材料的问题。其实上述的四个部分是相互交融在一起的,并没有显然的界定。
图1-1 近些年来以“静电纺丝”为主题的文献
静电纺丝的实验过程
简单地讲,静电纺丝技术就是将带电的液滴在静电场作用下进行喷射,经过拉伸、固化成纤维的过程。详细地讲,在静电纺丝过程中,聚合物液滴在高压静电场的作用下带电,并发生形变,在喷丝头的端口处形成了锥状的液滴,一般称之为泰勒锥[12]。当泰勒锥表面的电荷斥力大于其表面张力时,液滴就会快速从喷丝头端口喷射形成射流,射流在高压静电场的作用下,就会快速地被拉伸,同时溶剂快速的挥发,就会固化成丝,沉积在接收板上,最终形成聚合物纤维或聚合物和其他物质的复合纤维。通常,静电纺丝的实验装置由高压电源、储液装置、喷丝头、接收装置四部分构成的,如图1-2所示,高压电源为纺丝过程提供几千到几万伏的高压直流电源,可以使液滴带电被极化,储液装置和喷丝头往往配套使用,接受装置放在喷丝头的相对端,一般是金属接收板,为了安全,高压电源及接收装置都需接地。
图1-2 静电纺丝装置图
静电纺丝过程中的影响因素
在静电纺丝制备纤维的过程中,带电液滴是在静电力的作用下被拉伸成纤维的,在不同的影响因素下,纺出的纤维的特性具有较大差异,通常聚合物溶液的特性、电纺丝装置中的工艺参数以及外部环境因素都会影响着电纺纤维的性质。
(1) 聚合物溶液的特性通常指聚合物的相对分子质量、聚合物溶液的浓度及电导率等。聚合物的相对分子质量是影响电纺纤维的一个重要影响因素[13],要想通过静电纺丝制备出纤维,所用的聚合物的相对分子量必须达到一定值,能够在溶剂中溶解后具有一定粘滞度,不然将是一个静电雾化的过程,得到的只是一些颗粒或者微球。通常,聚合物的分子量越大,它的分子链就越长,分子链越长,在溶剂中就越容易缠结,因此溶液就具有一定的粘滞性,纺丝就易进行,如果聚合物的分子量较低,这就需要配置的溶液的浓度较高才能使得溶液具有粘性,否则得到的将是其它形貌的物质。
(2) 当聚合物的分子量一定时,并且在其它条件也都一定的情况下,聚合物溶液的浓度决定了聚合物中的分子链在溶液中的缠结程度,也就是影响着溶液的黏度,从而影响着电纺纤维的结构[14]。随着聚合物溶液溶度的变化,溶液的粘滞度也跟随着发生变化,当电纺溶液浓度较低的物质时,分子链在溶液中没有发生缠结或者缠结不够,这样在静电纺丝过程中,射流受到高压静电力的拉伸,很容易发生断裂,同时聚合物的分子链在黏弹性作用下就会收缩在一起,这样就
会造成聚合物的分子链团聚,形成珠粒状物质。当溶液的浓度达到一定值时,即溶液的粘滞度达到一定程度时,溶液中聚合物的分子链就会大量的缠