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静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景


2008 年 07 月

第 14 卷   4 期 第

内蒙古民族大学学报 Journal of InnerMongolia University for Nationalities

Jul 2008 . Vol 14  No. 4 .

静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景
佟艳斌
(大庆师范学院 化学化工系 ,黑龙江 大庆  163712 )

〔   〕 摘 要 静电纺丝是一种简单 、 方便的生产微米 、 纳米纤维的技术 ,其中可纺丝的材料主要包括聚 合物 、 聚合物的混合物 、 聚合物与无机物的混合物 。静电纺丝制得的纤维毡 ,具有孔隙率高 、 比表面积大 等优点 ,从而赋予了静电纺丝纤维广泛的应用前景 ,它已在国内外引起了广泛的关注 。本文立足于静电 纺丝技术的研究现状 ,分别从材料的化学组成 、 纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述 。 同时 ,概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景 。 〔 关键词 〕 静电纺丝 ; 纳米纤维 ; 纳米材料
+ 〔 中图分类号 〕 TQ340. 1 4   〔 文献标识码 〕   〔 A 文章编号 〕 1008 - 5149 ( 2008 ) 04 - 0018 - 03

静电纺丝是 20 世纪 30 年代的发明专利 。然而 ,直到近 10 年来 ,人们才对静电纺丝技术进行了比较系统的理论研究和 实验证实 ,用静电纺丝法制得的纤维比传统纺丝法制得的纤维细的多 ,直径一般在几十纳米至几微米之间 ,最小直径可达到
1 纳米
〔〕 1

。静电纺丝技术已经成为制备超细纤维和纳米纤维的重要方法 。

1  静电纺丝的原理

将聚合物溶液或熔体带上高压静电 ,带电的聚合物液滴在电场的作用力下在毛细管的顶点形成 Taylor锥 。当电场力足 够大时 ,聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流 ,细流在喷射过程中溶剂蒸发 , 产品最终落在接收装置上 ,形成类似非织 造布状的纤维毡 。

2  静电纺丝的研究现状

最近几年 ,有关静电纺丝的文章和研究成果与过去相比具有飞跃式的发展 ,与静电纺丝相关的会议也在世界各地举行 。 例如 , 2005 年 5 月底在瑞士 St Gallen的瑞士联邦材料测试和研究实验室 ( EM PA )举行的纤维协会上 ,许多论文证实了这个 . 领域的研究和技术状况 。 2006 年 7 月在吉林大学举办的全国化学会会议上 ,国内的许多纺丝研究者也都纷纷作了研究报 告 。该文主要是根据纳米纤维的化学组成 、 分布形态 、 特殊结构等方面对静电纺丝的现状进行简单的阐述 。
2. 1   化学组成

静电纳米纤维的化学组成可分为 : 聚合物 、 聚合物与有机物或者聚合物与聚合物的混合物 、 聚合物与无机物的混合物 。 其实 ,可直接电纺的材料并不多 ,对于有些不容易纺丝或者不能纺丝的材料 ,可以根据产品的性质需要 ,在其中可添加适量 的可纺丝的材料构成两种或者多种材料的混合物 。对于聚合物和无机物的纺丝 ,国内王策教授领导的研究小组创意性地以 固 - 气反应的方式做出了 PbS / PVP, CdS/ PVP无机 - 聚合物纤维 。无机 - 有机一纤维材料的研究很有价值 ,因为它可以结 合有机材料与无机材料的优点 。例如 ,有机材料有好的粘弹性 、 质轻 、 可加工处理性等 ,无机材料的可铸性 、 耐热耐化学腐蚀 性、 好的硬度 、 优良的发光性质 〔2〕 。
2. 2   分布形态

3

静电纺丝的纤维分布形态总体上是随意的 ,但也有平行丝和螺旋形态纤维的成功研究案例 。图 1 是大多数纺丝存在的 方式 〔3〕 Royal Kessick 等利用不导电高分子 ( PEO )与导电高分子 ( PASA ) 双组分溶液的电纺丝试验获得螺旋结构的纤维 。
(见图 2 ) ,并解释这种现象的原因可能是纤维的粘弹力超过电荷间的库仑力导致了纤维发生螺旋结构的分布 〔4〕 Xin Yi等 。

18

3

〔 收稿日期 〕 2008 - 03 - 12 〔 作者简介 〕 佟艳斌 (1980 - ) ,女 (蒙古族 ) ,黑龙江大庆人 ,助教 ,硕士 ,从事发光材料与纳米纺丝材料研究 。

人利用导电的 PPV 与不导电的 PVP的混合溶液进行电纺 ,也得到了螺旋结构的纤维 ,并发现电压对螺旋结构有影响 〔5〕 。 通过对接收装置的调整可以得到相互平行的纳米纤维 , Akron大学的 Reneker等人用高速旋转的圆桶作为接收装置 ,制 备了或多或少的相互平行的纳米纤维 。 P. Katta等人也采用圆筒作为接受装置 ,得到了平行排列的电纺丝 〔6〕 。对于此类装 置要注意圆筒滚动的速度 、 铜丝的直径 、 铜丝间的距离以及聚合物的种类 。 Younan Xia 等人用平行接收极接收电纺丝的方 法 ,获得了具有一定排列规则的纳米纤维 (见图 3 ) 〔7〕 W endorff等人用金属框架作为接收装置 , 得到了平行排列的聚酰胺 。 纳米纤维 ,其平均直径为 50nm〔8〕 。之后 ,陆续有人也做出了平行排列的纤维 。

图 1
2. 3   特殊结构的电纺纳米纤维

图 2

图 3

通常静电纺丝得到的纤维都是表面光滑 ,纤维内部为实体的结构 。目前来讲 ,还存在一些特殊结构的纺丝 ,主要是核壳 结构 、 纤维内部为空的管状结构 、 多孔结构 。

3  应用
3. 1   电学和光学领域的应用   导电纳米纤维的传导率主要取决于纤维的形态 ,如纤维缺陷量和厚度 ,因此在静电纺丝过程

中 ,可以通过调整聚合物和溶剂的配合比例来获得不同形态的纤维 ,从而达到控制混合纳米纤维传导率的目的 ,所以 ,导电 纳米纤维在微电子和光电子领域的运用中有着潜在的优势 〔9〕 。由于电纺纳米丝在电子设备和光电设备中的潜在应用前 景 ,所以纳米纤维同其它的具有半导体特性的材料一样也倍受关注 。 Tae Su Kang等人通过电纺得到了具有导电性能的聚 吡咯的纳米纤维 ,并发现纤维的电导率是 0. 5S / cm ,比粉末和膜的电导率要高 ,因此预测此类纤维有望作为电极材料 〔10〕 。
3. 2   服装方面   纳米纤维具有很高的比表面积 ,可用作吸附媒质 、 生物杀灭剂等 。用电纺丝制成的纤维毡对于空气和水没

有太大阻力 ,对于烟雾颗粒等化学有害制剂的渗透则有很好的阻挡作用 ,用这些纤维制作的服装 ,能够高效地吸收并降解有 害液体和气体 ,还能有效地扩散蒸汽 ,即所谓的可呼吸性 。因此 ,可用作防护服保护人类免受核武器 、 生化武器 、 化学武器 、 毒气及传染病的侵袭 。 Seungsin Lee等人用电纺的方法得到了聚丙烯的纤维毡 ,实验证明聚丙烯的纤维毡对空气渗透率和 水分的传输功能都比普通的织布要好 ,舒适度更好 , 可作为农业工作者的防护服 〔11〕 Jen - Taut Yeh 等人对聚乙烯吡咯烷 。 酮和聚乙酰核多糖混合物进行电纺 。研究结构表明当聚乙酰核多糖的含量高时 ,纤维具有抵制细菌侵蚀的作用 〔12〕 。
3. 3   电纺丝在生物医学领域中的应用   电纺丝在生物医用材料中的应用 ,包括组织工程 、 人造血管 、 组织修复 、 伤口包扎制

品、 药物载体等方面 。 Shao Ping Zhong等人通过电纺胶原质和硫酸软骨素的混合物得到的纳米纤维显示出光滑 、 规则的形 态 。可用于组织工程中 〔13〕 Sun等人用 PVP作为核 PLA 作为壳得到的核壳结构纤维的载水量是 PLA 纤维的两倍 。因此 , 。 这种由可生物降解成份组成的核壳结构纤维有望在组织工程中得到应用 〔14 〕 。利用静电纺丝技术制备的纳米纤维具有比表 面积高 ,孔隙率高等特点 ,因此这类纤维是一种理想的人造血管材料 。人造血管的多孔性和顺应性能影响组织反应 ,多孔的 人造血管有利于宿主组织的长入 ,使其内壁能更好地内膜化 〔15〕 。电纺纳米丝还可用作药物缓释材料 ,使药物在整个释放过 程中伴随着载体物质的降解而无变性 ,对人体无毒害作用 。由于纳米丝比表面积高 ,可以阻止细菌的侵入 ,而空气却可以正 常地流通 ,所以电纺纳米丝也可用作包扎伤口绷带 。
3. 4   传感器  Rutledge研究小组 、 L. Yarin研究小组以及 Xia研究小组在传感器的研究方面 ,做了大量工作 。近年来 ,高 A.

聚物材料因其价格便宜 、 加工简单而在传感器领域受到关注 。传感器中灵敏度是一个重要的指标 ,而传感膜的灵敏度与每 单位质量膜的表面积成正比 。由于电纺纳米纤维比通用膜的比表面积大得多 ,所以可提高传感器的灵敏度和反应时间 ,使 得该技术应用在传感器领域成为可能 〔16〕 M ichael Bognitzki等人电纺聚乳酸 、 。 聚碳酸酯和聚乙烯咔唑混合溶液 , 得到的纤 维直径在微米尺寸范围之内 ,纤维表面的孔洞直径在纳米尺寸范围之内 。这种纤维由于比表面积大 , 使其能够在传感器和 过滤设备上起到重要的作用 ,通过控制表面积可以控制表面的吸附能力 〔17〕 。

4  电纺丝技术存在的问题及展望
电纺丝技术从 1934 年第 1 个发明专利开始 ,虽已经历了 70 多年的发展 ,仍很不完善 ,存在的问题主要有 : 第一 ,电纺丝

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技术产量极低 ,如果溶液的粘度调整不当 ,部分溶液会从喷口以液体方式滴出 , 也有些纤维没有被接收在接受装置上 。第 二 ,电纺丝所得的纤维结构单一 ,不能很好的使纤维排列一致 , 大多是杂乱无章 , 随意性较强 , 无法得到彼此分离的纳米纤 维 。第三 ,目前对电纺丝技术还没有明确的理论指导 ,使得电纺丝过程很难有重复性 ,而且工艺流程及所用设备没有规范标 准 。但是 ,一旦这些问题得到很好的解决 ,这种技术就会因为其使用的仪器设备廉价 ,操作方法简单 , 效果显著等优势而成 为生产微米或者是纳米纤维的主要方法 ,并能在很多领域中得到应用 。无机材料在纳米纤维中的引入更加拓宽了静电纺丝 技术的研究与应用领域 。可以说 ,静电纺丝是纳米科技中异军突起的一项技术 ,它为纳米纤维类材料的产业化 、 低成本化 、 多样化和流程化 ,又开辟出了一片广阔的天地 。相信只要不同领域的科研工作者相互合作 、 共同努力 ,电纺技术将会得到不 断的发展 ,这项技术也将会成为生产纳米结构材料的最重要的加工方法之一 。 参      考 文 献 〔〕 1 师奇松 ,于建香 ,顾克壮 ,等 . 静电纺丝技术及其应用〔 〕 化学世界 , 2005, 5: 313 - 316. J . 〔 〕Sui X M , Shao C L , L iu Y C. W hite - light Em ission of Polyvinyl A lcohol/Hybrid Nanfibers Prepared by Electrosp inning 2 〔 〕 App l Phys Lett, 2005, 87 ( 11 ) : 113115 - 113118. J . 〔〕 3 Zhang W , Yan E Y, Huang Z H , et al Preparation and Study of PPV / PVA Nanofibers via Electrosp inning PPV Precursor .
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〔 责任校对   包金山 〕


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