文档介绍：第一章绪论
静电纺丝技术简介
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,美国科学家Formhals发现借助静电力作用可以制备聚合物纤维,并因此申请了专利[1],报道了在高压静电地作用下,聚合物是如何形成射流的。这被认为是静电纺丝技术制备纤维材料的开端。在此后的几十年里,静电纺丝技术并未广泛引起人们的兴趣,研究者们主要关注于静电纺丝实验装置的改进,发表了一些相关的专利。
图1-1 以“静电纺丝”为主题检索得到的20世纪90年代后发表的论文数量
进入20世纪90年代,美国的Reneker研究小组比较系统的对静电纺丝技术及其应用展开研究[2]。特别是伴随着纳米科学的兴起,静电纺丝技术得到了快速地发展。世界上许多研究小组,甚至包括工业界,都对静电纺丝技术产生了浓厚的兴趣。图1-1所示是以“静电纺丝”为主题的文献的检索结果,从一个方面反映了静电纺丝技术相关的蓬勃发展。近二十年来,静电纺丝技术的研究大致可
以分为四个研究阶段:一是主要使用不同聚合物进行静电纺丝,并研究纺丝条件对材料性质的影响,进而优化纺丝条件和材料性质等;二是主要研究用静电纺丝技术制备具有多样化结构的纳米材料;三是主要研究用静电纺丝技术制备的材料在能源、催化、生物等领域的应用;四是研究如何利用静电纺丝技术大面积、批量制备纳米材料的问题。事实上,这四个研究阶段相互融合,并没有明显的界限。
静电纺丝过程
静电纺丝就是将带电的液滴在静电场作用下喷射、拉伸、固化,形成纤维的过程。详细说来,在静电纺丝的过程中,聚合物液滴在高压静电场作用下带电并发生变形,在喷丝头的端口形成锥状的液滴,称之为泰勒锥[3]。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,快速被拉伸。在拉伸的过程中,溶剂挥发,射流固化形成丝状,沉积在接受板上,最终形成聚合物纤维或聚合物与其他物质的复合纤维。静电纺丝装置通常由高压直流电源、储液装置、喷丝头、接受装置四部分构成的,如图1-2所示。高压直流电源能够提供几千到几万伏的高压,可以使液滴带电并被极化。储液装置和喷丝头往往配套使用。接受装置一般为金属板,置于喷丝头的相对一端。为了保证安全,高压电源及接受装置都要求接地。
图1-2 静电纺丝装置示意图
影响静电纺丝的因素
在静电纺丝过程中,带电液滴在高压静电力的作用下被拉伸成纤维。在不同的情况下,纤维的特性不同。通常,聚合物溶液的特性、电纺丝装置的设备参数、电纺丝过程的工艺参数以及外部环境等都影响着纤维的特性。
(1)聚合物溶液的特性一般是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特性的一个重要因素[4]。要想通过静电纺丝制备出纤维,聚合物的相对分子量必须达到一定的值,从而在溶剂中溶解后具有一定的黏度,不然将是一个静电雾化过程,得到的只是一些颗粒或者微球。聚合物一般由分子链构成,聚合物的分子量大,它的分子链就长,长的分子链在溶剂中就容易缠结,因此,溶液就具有粘滞性,纺丝就易进行。如果聚合物的分子量较低,配置的溶液的浓度就要高才能使溶液具有粘性。否者,无法得到纤维状的材料。
(2)当聚合物的分子量一定且其他条件也一定时,聚合物溶液的浓度将决定聚合物的分子链在溶液中的缠结程度,也就是影响着溶液的黏度,进而影响着电纺纤维的形貌[5]。随着聚合物溶度的变化,溶液的粘滞度也随之发生变化。当电纺溶液浓度较低时,分子链在溶剂中无缠结或者缠结不够,在静电纺丝的过程中,射流受到高压静电力的拉伸后很容易发生断裂。同时,聚合物的分子链在黏弹性的作用下会收缩在一起,造成聚合物的分子链团聚,形成珠粒状物质。当溶液浓度增大到一定值时,溶液的粘滞度达到了一定的程度,溶液中大量聚合物的分子链会缠结在一起,在静电力的拉伸作用下,能够有效抵抗外力作用,获得连续的纤维状结构。并且,伴随溶液浓度的增加,纤维的直径会增大。但是,聚合物溶液的浓度过大,将导致溶液的粘滞度过高,在静电纺丝过程中,静电力难以将射流拉伸,因此不会形成纤维。
(3) 如上所述,静电纺丝是将带电的溶液在静电力作用下拉伸,产生微小射流,最终固化成纤维的过程。显然,聚合物溶液的带电情况影响着纤维的形成[6]。聚合物溶液的电导率越高,在高压静电场中受到的电场力越大,越容易将射流拉伸成丝。相反,聚合物溶液的电导率越低,在高压静电场中受到的电场力作用越弱,有时甚至不能够拉伸成丝,产生非纤维状的珠粒状物质。增大溶液的电导率,射流表面的电荷密度增大,射流的甩动过程将处于不稳定状态,这样,纤维的直径会变小,直径的分布变宽。
(4)静电纺丝系统的设备参数也是影响纺丝质量的重要因素。这些参数具有包括电压的大小