2010年纪代扬织校禾、第2期 综合评述一 静电纺丝工艺与装置的研究进展 薛花,熊杰,李妮,刘冠峰 (浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州 310018) 摘要:主要综述了通过改变静电纺丝接收装置制取定向、螺旋排列的纳米纤维。列举了添加附加磁场、 辅助电极、超声震动等方法而改进了的新型静电纺丝装置。还介绍了多层静电纺丝、混合静电纺丝和同轴静 电纺丝。 关键词:静电纺丝;影响因素;装置 中图分类号:TQ34O.64 文献标识码:A 文章编号:lOO9—265X(2010)02一O()48一O4 0引 言 静电纺丝是一项能制备纳米级到微米级纤维的 技术,相比于其他方法,该技术更加方便、简单、灵 活,而且可以适用于大部分聚合物。静电纺纳米纤 维膜具有比表面积大,孑L隙率高等特点,已经得到了 人们广泛的关注。但是由于纺丝过程中射流存在着 一种不稳定的“鞭动”状态,使得接收装置上纤维的 排列往往是杂乱无章的,因此越来越多的研究者开 始致力于取向纳米纤维制取的研究。 图1静电纺丝装置图 1静电纺丝 与接收装置之间的距离、喷丝头直径等)和环境因素 (如温度、湿度、气体流速等)。对于这一方面,很多 1.1静电纺丝的基本原理 人进行了研究。 静电纺丝装置一般由高压电源,喷丝头和接收 邵东锋[3]对PAN/DMF浓度,静电电压,溶液 装置3部分组成,如图1所示。聚合物的表面张力 挤出量,接收距离等参数进行了研究,发现纤维直径 与带电液滴在喷丝头末端处于平衡,随着电压的加 随溶液浓度的增加而增大,随电压的增加而减小,随 大,液滴被逐渐拉长形成锥体(Taylor锥)。当电场 接收距离增加也减小,而溶液挤出量在一定范围内 增加到临界值时,电荷斥力大于表面张力,射流从 对纤维形态的影响不大。覃小红等l_;j将PAN溶于 Taylor锥表面喷出。射流先后经过一个稳定和不 DMAC中,也得出了同样的结论。 稳定的拉长过程,变长变细,同时溶剂挥发固化,以 李妮等 ]以聚乙烯醇和聚丙烯腈溶液为原料进 无序状排列于接收装置上,形成纤维毡(网或者 行静电纺丝,来研究溶液性质对静电纺纤维形态的 膜) ]。 影响。实验发现随着溶液质量分数的增加,串珠明 1.2静电纺丝的影响因素 显减少,纤维直径增加;溶液导电性的增加使纤维直 静电纺丝的影响因素主要包括溶液性质(如黏 径的离散程度明显减小,而对纤维直径的大小和串 度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常 珠的影响不大。 数、表面张力等),过程条件(如电压、挤出率、喷丝头 赵从涛等[6]在PAN/DMAC溶液中加入不同 收稿日期:2oOg一1o一12 种类的盐LiC1,NaNO3,NaC1,CaC1 来控制纺丝液 基金项目:973计划前期研究课题(2008CB617506),长江学者 的导电性,进而研究不同种类盐的加入对PAN静 和创新团队发展计划资助(IRT0654),先进纺织材料与制备技术教 电纺丝的影响。实验发现盐对导电性大小的影响顺 育部重点实验室开放基金资助项目(2006003) 序为LiC1>NaNO3>CaC12>NaC1>无盐,对纤维 作者简介:薛花(1986一),女,江苏江阴人,硕士研究生,主 直径的影响顺序依次为LiC1>NaNO。>CaC1 > 要从事纳米纤维与复合材料的研究。 NaCl ・ 48 ・ 2静电纺丝装置 2.1静电纺丝接收装置 采用传统的静电纺丝接收装置,由于纺丝过程 中不稳定状态的存在,在接收装置上得到的纤维往 往是无序排列的。因此,制取具有独特的电学、光 学、机械性能的取向纤维引起了研究者的极大兴趣。 获得高度取向的静电纺丝纤维的主要方法是通过改 进接收装置和控制电场等方法来实现的。 2.1.1平行板接收装置 Li Dan等l7]尝试了一种新的方法排列纤维,他 们将两个电极平行放置(如图2),纤维在下落过程 中受到静电力的作用,并在垂直于平行电极的方向 被拉直沉积,最终搭载在两个电极之间(如图3)。 他们认为两个电极产生的静电力是纤维取向排列的 主要原因。这种方法所得的纤维取向排列程度有很 大提高,排列纤维面积也有很大增加,是一种简单而 行之有效的方法。 装置 图2平行板接收装置示意罔 图3垂直于电极方向平行取向排列纤维SEM图 2.1.2制备螺旋状纤维的接收装置 Yu Jie等L ]设计了一种新型的接收装置(如图 4),用来收集定向排列的螺旋状纤维(如图5)。与 传统的静电纺丝装置不同,接地的接收电极是一个 固定在木板中心的直径为2mm的金属电线。接地 电极与喷丝头之间存在一定的角距离,且在两者之 2010年纪代I2j织校 第2期 间放置一块倾斜的载玻片,用来接收螺旋状的纤维。 在纺丝过程中,当射流到达收集板表面时被挤压产 生机械不稳定性,从而产生弯曲折叠、曲折褶皱或者 螺旋结构的纤维。 接地接 丝头 木块 图4接收装置示意图 图5螺旋状纤维SEM图 2.1.3动态水浴接收装置 Teo Wee—Eong等ll9]设计了一种新型的动态水 浴接收装置,如图6所示。该装置主要是通过水流 由上水槽底部直径为5mm的洞流出时形成的漩 涡,对纤维进行拉伸。用水泵连接上下两个水槽形 成一个循环,使水能重复循环使用并且保持上水槽 的水位不变。在上水槽中插入一根导线,将水面上 多余的电荷导出。在不拉断纤维的前提下,旋转的 离心力和水流牵引作用下,对纤维进行很好的拉伸 牵引。纤维在漩涡底部汇聚成纱线,从槽底的洞中 流出,并用旋转的滚筒接收纤维纱线。 图6动态水浴接收装置图 ・49・ 2010年纪代 识校禾。第2期 2.2附加磁场的静电纺丝 综合评述 Wu Yue等 在静电纺丝过程中加入电场,如 图7所示。在磁场的作用下,射流中的电流所产生 的安培力的方向始终指向初始平衡点,从而导致鞭 动范围减小,射流的稳定性控制得到提高。 微量一注射泵 ’ 电极靶 微量——— 图7辅助磁场装置图 2.3带有辅助电极的静电纺丝装置 Carnell Lisa S等l】u在喷丝头对面,且与旋转的 圆筒接收装置呈90℃角处放置一个辅助电极(如图 8)。该电极提供与喷丝头上大小相等方向相反的电 压。该装置产生一个可控的电场以消除电纺过程中 的弯曲不稳定和鞭动,从而使电纺射流沿一个稳定 的轨迹喷射。 微 图8带有辅助电极的静电纺丝装置 Kim GeunHyun等u2J则将一个圆柱型电极以 一个铜导线与多喷丝头连接(如图9),使得喷丝头 附近的射流问的相互排斥减小,电纺射流稳定。圆 柱型电极覆盖在多针头上用来减少边缘效应,其纺 丝得到的纳米纤维膜的面积较未加辅助电极的要小 得多。同时,使用带有辅助电极的多针头静电纺丝 装置可以提高静电纺纳米纤维的生产率。 2.4振动静电纺丝 万玉芹等Ela]使用传统静电纺丝设备和自行设 计的振动静电纺丝设备(如图10)分别对聚丙烯腈 (PAN)和聚氧化乙烯(PEO)进行纺丝。与用传统 静电纺丝装置获得的PAN纳米纤维相比,加了超 声振动纺丝机使获得的PAN纤维直径由1 000nm ・ 50・ …极 . (b)瓦针头放大罔 (c)带有圆柱形辅助 电极的五针头装置 图9带有圆柱形辅助电极的多喷头静电纺丝装置 降到700nm左右,PEO由用传统静电纺丝装置不 可纺变成了可纺,并且获得了直径在100nm左右的 PEO纤维。实验证明,超声波振动可以有效降低聚 合物溶液的黏度,增强其流动性能。将超声波振动 引入静电纺丝过程中后,超声波振动可以达到有效 降低纺丝纤维细度、提高溶液可纺性的目的。 声波发生器 压静电发生器 装置 图1O超声振动纺丝装置 He J H等[1 ]设计了一种振动一熔融纺丝的方 法(如图11)。这种方法主要特点也是在传统的静 电纺丝设备的注射器末端连接一个超声发生器,在 注射器的头端连接加上一个电热器或采用同轴设施 内轴为纺丝液,外轴通高温回流蒸汽的加热设备。 这种方法非常适合高黏度、大分子量的聚合物,纺出 的纤维更细,具有更大的比表面积,更高的纳米效 应,能够更好地模拟细胞外基质的网状结构特点。 图11振动一熔融纺丝法 综合评述 一2.5多层静电纺丝和混合静电纺丝 多层静电纺丝和混合静电纺丝如图12的多层 纤维膜,且每层的聚合物纤维膜种类不同。混合静 电纺丝是载有不同聚合物溶液的两个或多个喷丝头 同时纺丝[1 。这两种方法都可以根据具体的要求 砻 得到针对性较强的细胞支架,在组织工程支架的制 备方面有很好的发展前景。 喷丝头1 横截而 日■咕 顺次 丝头2 纺丝 黛逝 酶t 蛾 多层纤维膜 交替运 冀 ,I 横截面图 j i 混合纤维膜 (中间部分) (a)多层静电纺丝 (b)混合静电纺丝 图12 多层纺丝法和混合纺丝法 2.6同轴静电纺丝 同轴静电纺丝使用两个注射泵内外重叠放置 的复合式喷头,因此可用于制备具有皮一芯结构 的纳米纤维(如图l3)。这种方法非常适用于天然 材料和合成材料的复合纺丝,一般外喷头中的纺 丝液为天然材料,内喷头中的纺丝液为合成材料, 制备出来的纤维为同时具备良好的生物黏附性和 较好的物理机械性能的“天然一合成”皮一芯结构 的纳米纤维。 冈l3同轴纺丝装置图 Jesse T McCann等 胡将熔融静电纺丝与同轴 喷丝头相结合(如图14),以低熔点的非极性十八烷 作为核,二氧化钛和聚乙烯吡咯烷酮(TiOz—PVP)的 混合液为壳纺制出相变纳米纤维。玻璃注射器外部 放置绝缘加热罩,使十八烷保持熔融状态。纺丝过 程中溶剂挥发,射流冷却,从而使内层液体迅速固 化。这种方法可以使非极性的固体,静电纺丝与封 2010年纪代 织校禾。第2期 装一步到位。 、 铝箔接收装置 图14 同轴熔融静电纺丝装置示意图 3结语 静电纺丝法制备聚合物纳米纤维具有设备简单、 成本低廉、操作容易以及高效等优点,被认为是制备 大量聚合物连续纳米纤维最有效的方法。而目前采 用静电纺丝制取纳米纤维的方法还仅局限于实验室 阶段,开发产量高的静电纺丝机,将静电纺纳米纤维从 实验室推向市场,将成果产业化有待今后深入研究。 参考文献: [1]王兴雪,王海涛,钟伟,等.静电纺丝纳米纤维的方法 及现状[J].非织造布,2007,15(2):14—20. E2]李珍,王军.静电纺丝可纺性影响因素的研究成果 [J].合成纤维,2008,11(9):6-10. E3]邵东锋.静电纺丝工艺参数对制备聚丙烯腈纳米纤维的 影响[J].山东纺织科技,2007(5):53 56. [43覃小红,王新威,胡祖民,等.静电纺丝聚丙烯腈纳米纤 维工艺参数与纤维直径关系的研究[J].东华大学学报, 2005,31(6):1B-22. E5]李妮,覃小红,王善元.溶液性质对静电纺纤维形态的 影响EJ].纺织学报,2008,29(4):1-4. [6]赵从涛,覃小红,李妮,等.盐对聚丙烯腈静电纺丝的 影响[J].东华大学学报,2008,34(1):33—37. E7]Li Dan,Wang Yuliang,Xia Younan.Electrospinning of polymeric and ceramic nanofibers as uniaxially aligned arraysEJ].Nano Letters,2003,3(8):1167—1171. [8]Yu Jie,Qiu Yejun,Zha Xiaoxiong,et a1.Production of aligned helical polymer nanofibers by electrospinning [J].European Polymer Journal,2008,44:2838—284屯 (下转第54页) ・ 51 ・ 2010年纪代ll5织校 第2期 综合评述一 高粗糙度的任何纺织物表面,水接触角测定方法存 的,不会产生聚集问题。但在改性体系中应用银纳 在不够精确的问题。 米粒子会使织物比处理前硬挺得多。 在涤纶织物上的聚苯乙烯/PGMA/银纳米粒 虽然所有试验的织物都显示增加了拒水性能, 子/PVP/PGMA多层体系中,银粒子在高温(聚苯 但不是每种织物都达到超疏水性。对于具有荷叶效 乙烯接枝时)和在甲苯中超声波处理下都没有分离, 果的超疏水性织物,不仅需要疏水性成分,而且还需 表明这个体系完整性好。 要有适当的织物粗糙度。在某些情况下,只要有合 涤纶织物用聚苯乙烯/银粒子多层处理和只用 适的粗糙度和疏水性成分,甚至不需要纳米粒子也 聚苯乙烯(没有银纳米粒子)处理后的静态水接触角 可以产生荷叶效果。因此,合适的织物粗糙度,是织 测定相比较,接触角从113。±4。增至157。--+-3。,织物 物生产超疏水性荷叶效应的一个重要的因素,而这 接触角的显著增加是由于聚苯乙烯聚合物的疏水性 种织物粗糙度可以用改变经纬向纱线间空间加以 和由银纳米粒子引起的粗糙性协同作用的结果。 调节。 2.3洗涤试验 洗涤试验进一步说明了纳米粒子处理在涤纶织 参考文献: 物上的耐久性。洗涤前的接触角为150。~155。,洗 [1]Ramaratnam K,Iyer S K,Kinnan M K,et a1. 涤后的接触角为145。~15O。,接触角平均只降低5。, U1trahydrophobic textiles: 1otus approach[J].AATCC, 表明纳米覆盖与疏水性聚合物一起是十分牢固的, 2008(1):42—48. 甚至在剧烈的洗涤条件下也能保持良好的完整性。 [2]Mahltig B,B6tteher H.Modified Silica sol coating for water-repellent textilel J 1.J Sol—Gel Sei Techn,2003,27 3结论 (1):43-52. 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