靜電紡絲法制備納米材料

靜電紡絲法制備納米材料材加2012-A1班：周孟宇曹陽2021/5/91靜電紡絲的歷史靜電紡絲的原理及相關(guān)概念靜電紡絲的設(shè)備和特點靜電紡絲的應(yīng)用目錄2021/5/921934年Formhals1966年Simons1971年Baumgarten1981年Larrondo和Manley首次在專利中提出該技術(shù)。他設(shè)計了一套聚合物溶液在強電場下的噴射進(jìn)行紡絲的加工裝置。專利中敘述了用靜電紡絲技術(shù)制備超細(xì)超輕無紡布的裝置，且發(fā)現(xiàn)粘度高時，纖維連續(xù)，粘度低時，纖維短且細(xì)。設(shè)計了一套裝置，可以制備直徑在0.05-1.1微米的丙烯酸纖維?？疾炝死w維直徑與溶液黏度、射流長度及環(huán)境氣體組分之間的關(guān)系。將聚乙烯和聚丙烯熔體紡成連續(xù)的纖維，研究發(fā)現(xiàn)，直徑取決于電場，操作溫度和熔融體粘度，與噴絲嘴直徑無明顯關(guān)系。靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展歷史2021/5/93簡單的說，靜電紡絲就是將聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電,帶電聚合物液滴在電場的作用力下在毛細(xì)管的頂點形成Taylor錐。當(dāng)電場力足夠大時，聚合物液滴就可以克服表面張力形成噴射細(xì)流，細(xì)流在噴射過程中溶劑蒸發(fā),產(chǎn)品最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。靜電紡絲的原理2021/5/94電噴技術(shù)：在高壓靜電場下，導(dǎo)電液滴能夠發(fā)生高速噴射的現(xiàn)象。靜電紡絲：可以認(rèn)為是帶電射流電霧化的一種變形，當(dāng)液體的粘度較小時，射流在受到電場力的作用后破裂為許多細(xì)小的液滴，液滴的直徑介于微米和納米之間，當(dāng)液滴的粘度較大時，就會形成纖維。泰勒錐：隨著電場力的增加，液滴逐漸被拉長，當(dāng)所施加的電場力的數(shù)值與液滴的表面張力相等時，液滴就形成了頂角為49.3°的圓錐，被命名為“泰勒錐”。相關(guān)概念2021/5/95靜電紡絲裝置圖2021/5/96靜電紡絲的基本設(shè)備包括：高壓電源、噴絲頭和接收裝置。紡絲液通過注射泵從噴絲頭中擠出形成小滴，小滴在高壓電作用下變成錐形，在超過某一臨界電壓后進(jìn)一步激發(fā)形成射流，射流在空氣中急劇震蕩和鞭動，從而拉伸細(xì)化，最終沉降在接收裝置上。

基本設(shè)備2021/5/97高壓電源

高壓電源提供產(chǎn)生紡絲液射流的高壓電，電源的兩極分別連接在噴絲頭和接收裝置。根據(jù)電源性質(zhì)的不同，可分為直流和交流高壓電源兩種，都可用于靜電紡絲。

直流高壓電在電紡過程中通常采用感應(yīng)充電的方式，即將直流高壓電直接接在噴絲頭上，接收裝置接地或反之。電壓極性對紡絲過程影響不大，實驗室多采用高壓正電紡絲。

交流電電紡可顯著提高射流鞭動的穩(wěn)定性，纖維變粗但有序性增加，同時也可在絕緣的接收裝置上有較大的接收面積。但在紡絲過程中交流電頻率不易調(diào)整（要考慮每次的實驗條件：溫濕度、溶液性質(zhì)等）。2021/5/98噴絲頭

噴絲頭的作用就是在紡絲過程中產(chǎn)生紡絲小液滴，提供射流激發(fā)位點。一般分為無針頭和針頭兩種不同的噴絲體系，其中針頭體系根據(jù)針頭數(shù)量和形式的不同，還可以進(jìn)一步分為單頭、同軸、并列、多頭等不同的形式。1、無針頭體系。核心思想就是在自由聚合物溶液表面形成大量射流激發(fā)位點。2021/5/992、針頭體系。1）單針頭單針頭最常見，根據(jù)需要可選擇不同型號的針頭。2021/5/9102）同軸針頭

同軸電紡的一個優(yōu)點在于可以突破單頭體系的限制，將一些難以直接電紡的聚合物通過同軸電紡裝置制備納米纖維。另一個優(yōu)勢是通過將核層選擇性移除，還可以制備中空納米纖維結(jié)構(gòu)。2021/5/9113）并列式針頭并列式針頭體系是一種結(jié)構(gòu)簡單卻易于實現(xiàn)功能化納米纖維制備的噴絲頭體系。它將不同的聚合物溶液通過緊密靠在一起的并列式針頭同時進(jìn)行射流激發(fā)，在電紡過程中平行射流融合，得到多根纖維互相連接的束狀單根纖維，因此特別適合制備雙組份聚合物纖維。并列式針頭2021/5/9124）多針頭在并列式針頭裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大針頭間的距離就發(fā)展為多可針頭體系，針頭數(shù)量從2個到十幾個不等，也稱為平行電紡。多針頭紡絲體系2021/5/9132、輔助接收裝置在射流鞭動細(xì)化過程中，主要受到電場力的作用，因此通過引入接收裝置改變電場形狀或者引入其他場如磁場，就能調(diào)控射流運動軌跡，達(dá)到可控收集的目的。環(huán)形電極輔助接收裝置2021/5/914單針頭納米纖維同軸納米纖維2021/5/915靜電紡絲的特點+kv

控制纖維取向溶液濃度(離子和聚合物)推進(jìn)器的速度電場強度收集器的形狀收集器的運動外加磁場

控制纖維直徑2021/5/916靜電紡絲的特點空心CFO纖維PZT芯CFO殼纖維CFO芯PZT殼纖維控制纖維結(jié)構(gòu)2021/5/917靜電紡絲的應(yīng)用——電池和電極材料

以鋰離子電池為例，靜電紡能很好的改變其性能。將PAN的靜電紡絲和惰性氣體下的熱處理巧妙的結(jié)合起來，制備出高純的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，這種碳納米纖維能夠很好的改善鋰離子電池（LiB）的電容率。因此，此碳納米纖維是高功率LiB的理想陽極材料。2021/5/918用同軸靜電紡絲法制備出復(fù)合納米纖維，然后將紡出的纖維浸在正辛烷中，以除去纖維中的油，之后將其在Ar/H2氛圍中1000℃煅燒5h，最終得到包含有Sn和碳的中空碳納米纖維，這種復(fù)合物在0.5C循環(huán)200次后展現(xiàn)出高達(dá)737mAh/g的可逆電容。作為電池材料具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外，這種含有Sn和碳的中空碳納米纖維結(jié)構(gòu)中有很高的Sn含量（接近70wt%），提供了很好的孔隙率，也避免了Sn納米顆粒的破碎。2021/5/919靜電紡絲的應(yīng)用——化學(xué)及生物傳感器

由靜電紡絲得到的納米級纖維制備化學(xué)傳感器因為具有超高的比表面積、快速的反應(yīng)時間、良好的靈敏度和選擇性等優(yōu)點備受關(guān)注。納米化學(xué)傳感器在環(huán)境污染物檢測、工業(yè)反應(yīng)檢測、食品安全監(jiān)督、藥物成分分析等方面有廣泛的應(yīng)用。用靜電紡絲法制備PANI納米纖維，并將纖維沉積在Au電極上，制備成NH3傳感器。納米纖維傳感器可以在幾分鐘內(nèi)完成NH3的檢測過程。2021/5/920利用高壓靜電紡絲作為生物敏感元件，優(yōu)點在于紡絲材料良好的生物相容性，可以通過各種方式將紡絲纖維與生物大分子進(jìn)行組裝，并且達(dá)到特異性被測物的目的。由于高的比表面積，足夠的生物大分子可以吸附在紡絲表面，并且與被測物達(dá)到充分接觸、反應(yīng)，最終實現(xiàn)高靈敏度檢測的目的。

2021/5/921靜電紡絲的應(yīng)用——生物及醫(yī)藥

納米纖維可用于人造血管、藥物輸送和組織工程等材料中。納米纖維材料作為載藥體系可以避免藥物突釋效應(yīng)，還可以有效地防止藥物在人體內(nèi)的降解或者失活；能夠從結(jié)構(gòu)和功能兩個方面模仿天然基質(zhì)是一個理想的組織工程支架。2021/5/922靜電紡絲的應(yīng)用——高效過濾材料

納米纖維復(fù)合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面積的性能，可大大提高過濾效率，且由于納米纖維的直徑小、纖維膜輕薄，降低過濾阻力。作為空氣過濾材料，可在制藥、實驗室、醫(yī)院、食品、化學(xué)及化妝品工業(yè)中使用。

2021/5/923將聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲納米纖維薄膜應(yīng)用在固液分離領(lǐng)域，證明了其去除顆粒的適用性。經(jīng)過表征發(fā)現(xiàn)，PVDF靜電紡絲纖維薄膜與傳統(tǒng)的微濾膜具有相似的性質(zhì)。這種膜被用于分離1μm、5μm、10μm的聚苯乙烯顆粒。實驗結(jié)果表明此纖維膜能除去溶液中90%的微米顆粒。2021/5/924參考文獻(xiàn)1.劉娜,楊建忠.靜電紡納米纖維的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].合成纖維工業(yè),2006,29(3):46.2.杜建時，楊清彪，王永芝等.靜電紡絲法制備PVP螺旋纖維及其機(jī)理研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2006.6.3.FongH,RenekerDH.Electrospingingandformationofnanofibers[M].In:SalemDR,editor.Structureformationinpolymeric.Munich:Hanser，2001,225-246.4.A.L.Yarin,E.Zussman.UpwardneedlesselectrospinningofmultiplePolymer,nanofibers[J].,2004.45:2977-2980.5.SeanaSeraji,YunWu,Nel