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静电纺丝制备纳米纤维的进展及应用

























静 电纺 丝 制 备 纳 米 纤 维 的 进 展 及 应 用

科 龙云泽
,

吴 佑实
山 东 济南



山 东大学 材料科学 与 工 程 学 院

砚巧





简述 了 静 电纺 丝 的制 备 原理 和 影 响静 电纺 丝 纤 维成 形 的 主要工 艺 因 素 介绍 了 静 电 纺 丝 法 制备 高



分 子 聚 合物 生 物 大分 子 无 机物纳 米纤 维 的 最 新进 展 以 及 这 些 纳米纤维 在 过 滤 传感 器 超 疏 水 性 材 料 生
物 医 用 功 能材 料 纳米 模 板 等 领 域 的应 用 指 出 静 电纺 丝 制备 纳 米 连 续 长 丝 技 术 巫 待 发 展


,









关键词

静 电纺 丝


纳米 纤 维

技术 进展

应用

中图 分类 号

文 献 识别 码
、 、

文 章编 号







纳 米 材 料 包 括 纳 米 纤 维 纳米 球 纳米 管 等 具

电后 的聚 合 物 经 过不 稳 定 拉伸会 变 细 变长



同时

有 大 的 比表 面 积 特 殊 的光 学 电 学 磁 学 及 催 化
,





溶 剂 挥 发 得 到带 电 的 聚 合 物 纤 维

,



性 能 已 受 到人 们 的 广 泛 关 注 其 中纳 米 纤维材料
, ,

是 研究热点 之 一 川




目前 制 备 纳 米 纤 维 的 主 要


静 电纺 丝 的影 响 因 素
影 响 静 电纺 丝 纤维成 形 的 因 素 主 要 包 含 方面
、 、

方 法 有 拉 伸 法 模 板 法 自组 装 法 和 静 电纺 丝 法
,





拉 伸法 能 制 得 单 根 纳 米 纤 维 长 丝 但 只 有 粘 弹性
材料 才 可 能拉 伸成 纳米 纤 维
, ,

纺丝 液 的性 质 包 括 纺 丝 液 的分 子 质
、 、 、 、

,



模 板 法 是用 纳米 多
,

量 浓度 粘 度 电 导 率 表 面 张 力 比 热 相 变 热

孔 膜作为 模 板 制备 纳 米 纤 维 或 中空 纳米纤 维 但
不 能 制备 连 续 的纳 米 纤 维 产 量 太 小
,


径等

纺 丝 条件 包括 电 场 强 度 纺 丝 速度 喷 丝
,







自组 装 法
,

头 与收集 板 之 间 的收 集距离 纺 丝 温 度 毛 细孔 直 环 境参数 包括 温 度 环 境气 流 速 度 等
, , ,






是利 用 分 子 间 的 相 互 作 用 力 将 已 有 的组 分 自发
地 组 装成具有某 种 形 貌 或 功 能 的 纳米 材 料 但 可



在 研究 不 同 聚 合 物 溶 液 的 可 纺 性 时

川 发现

控性较 差



静 电 纺 丝 法 是 目前 唯 一 能 够 直 接 连




聚 合 物溶 液粘 度 对 可 纺性 有 很 大 的 影 响 对 于 聚

续制备 聚 合 物 纳 米纤 维 的 方 法
静 电纺 丝 的 基 本 原 理

氧 乙烯

, ,
?

的乙 醇 水溶液而 言 可 纺粘度为


,

粘度过 高 产生 的射流不 稳定
,

性 粘 度 过 低 则 只 能 形 成液 体 微 滴



不 同 的 聚合
。 。

静 电纺 丝 装 置 主 要 由 以 下


部分 组 成 高 压

物溶 液 可 能 具有 不 同 的 可 纺粘 度范 围


电源 带 吸 液管 的 毛 细 管 或 直 径 很 小 的针 头 和 金 属 收 集屏


同 电 纺有关 的最 重 要 的 参 数 是 纤 维 的 直 径 加


曾经 指 出纤 维 直 径 随 溶 液 浓 度 成 指 数 增
〔〕

高压 电 源 的 正 极 与 聚 合 物 溶 液 相 连 负 极 与
收 集 屏 相 连 在 通 常情 况 下 收 集 屏 可 以 接地
, ,
,

,

进 一 步发 现 纤 维 直 径 与 聚 合物 溶 液
,
,





的立 方成 正 比 并 且 在 聚 亚 胺 酪 的 静 电纺 丝 中 观

纺 丝 过 程 中 高 电压 使 被 挤 出 毛 细 管 的 聚 合 物 溶 液或熔 体 带 电 并 产 生 射 流
, ,

察到

℃ 得 到 纤 维 的 直 径 比 室 温 得 到 的均 匀 可




射 流 中 的溶 剂 在 射

是 机 理 还 不 甚 了解
,

流 过 程 中挥 发 或 固 化 所 收 集 到 的 是 无 纺 布 形 式
的微 细 纤 维 网 侧
, ,

静 电纺 丝 中遇 到 的 另 一 个 问 题 是 纤 维 的 缺
发 现 聚合物 浓 度越 高 陷 如珠 粒 或 空 隙 叫 指 出 降低 溶 液 的 表 面 张 珠粒越 少
,



在 毛 细管顶 端 的液 滴成 为 凸
,



形 的 半 球状 当在液 滴 表 面 上 施 加 某 一 电 位 时 在 电场作 用 下 聚 合 物 溶 液 表 面 会 产 生 电 荷 会 直接产 生 一 种 与 表 面 张 力 相 反 的 力
,



,



电场
,

力 可 以 得 到 无 珠 粒 的纤 维
, ,



表 面 张 力 的 大小 主

相 互 排 斥 和 相 反 电 荷 电极 对 表 面 电 荷 的 压 缩 均


要 与溶 剂 组 分 有 关 与溶 液 的 浓 度 也 有 一 定 的联
收稿 日期



当电



修 改 稿 收 到 日期







场强 度增加 到 临 界 值 时 半 球 状 液 滴 会 转 变 为 锥 形 这一 带 电 的锥 体 称 为
电 场 强 度 带 电 射 流会 从
, ,

作 者简 介 邹 科



,

男 博 士研 究 生
,



研究 方 向为纳





进 一 步增加
,

米材料



锥 尖 喷 射 出来 放

通讯联 系 人



? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

http://www.cnki.net


,


,

邹科 等 静 电纺 丝 制备 纳米纤 维 的进 展 及应 用
,

系 在 一 定 的 浓 度 范 围 内 随着 溶 液 浓 度 的 升 高

溶液 与接 触 屏 之 间 加 高 压 前 驱 体 溶 液 在 电 场 力 作用 下 拉 成 直 径
,
, ,

,

表 面 张 力会 明显 降低
聚合物 聚






在 电纺 可 生 物 降解
盐 的加 人 在 电纺
,


,

的纤 维 落 到 接 收
℃高温缎烧 得 到分


乳酸
,

时 发 现在纺 丝 原 液 中加

,

屏上 在此 过 程 中 溶 剂挥 发 得 到 复合纤 维无 纺



的盐 时 纤 维 没 有 珠 粒
,

过 程 中的溶 液 射 流 表 面 电 荷 密 度 越 高 导 致 射 流 上 有 更 多 的 电荷 当 电荷 增 加 时 拉 伸 力 增 大 得
,
,

布 将得 到 的 复 合 纤 维 经 布 均匀 的 氧 化 错 纳米 纤 维
,

,

此外

,

‘”




聚 醋 酸 乙 烯 醋 做 模 板 制备 了




,

纳米纤 维


到 的纤 维 珠 粒较 小 纤 维 直 径 较 细 衬 〕 通 过 制 备不 同 的 等

,








做模板 制备 出疏 松




聚丙
聚己

多孔 的

纳 米纤 维



烯酸
内醋




聚 乙烯醇
,



聚 氨醋




为模 板 合 成 了



纤维



溶液 进 行 电纺 丝 测 量 了 电 流 聚 合 物
静 电纺 丝 纳 米 纤 维 的 应 用
过滤材料 用 静 电纺 丝 法 制 备 的 纳 米 纤 维 其 过 滤 效 率
,



流 量 及 表 面 电 荷 密 度 等 不 同过 程 参 数 及 剪 切 粘

度 表 面 张 力 松 弛 时 间 导 电 性 和 介 电 常数 静 电纺 丝 的 纤 维 种 类 高分 子 聚 合 物 纤 维



较 常规 过 滤 材 料 大 大 提 高 如 同 样 质 量 的 超 微 细
,

纤 维过滤毡 与常规纤 维 过 滤 毡 相 比 其过 滤效率
,

目前 静 电 纺 丝 法 已 经 用 于 上 百 种 不 同 的 高分

能提 高
协 林

,

国 内外现 有 的过 滤 材 料 只 能净 化
,

子 既 包 括 采 用 常规 合成纤 维 如 用 聚 对 苯二 甲酸
, ,

以 上 的 颗粒 而 直 径 小 于




特别是



乙二醋 尼 龙





等半 结 晶高分 子 进 行 静 电纺
弹性 体 还 有 液 晶 态 的


的颗粒对 人体 的危 害 也很 大

如二 嗯 英这 种
,

丝 也 包 括静 电 纺 丝 的

致癌 物 往 往 吸 附 在 这 些 小 颗 粒 上 而 纳 米 纤 维 滤
材则可 以有 效地 过 滤 掉 这 些 小 颗粒


刚 性 高分 子 聚 对 苯 二 甲 酞 对 苯 二 胺 聚 苯 胺 等 还 有 熔体 静 电 纺 丝 的 报 道 如 肠
, ,







’了 “

等对 聚

公 司 已 经 制造 出



牌 纳米 纤 维 滤 材 以 聚
,

,

乙 烯 和 聚 丙烯 熔 体 进 行 电 纺 只 是 所 得 纤 维 直 径

与溶 液纺 丝 相 比较 粗



偏氟 乙 二 烯 为支 撑 基 材 纳 米 纤 维 膜 为 滤 材 的 气 ’ “ 体微 滤膜 和 液 体 微 滤 膜组 件 〔 〕 纳 米 纤 维 滤 材


生 物 大 分 子 纤维 目前 已 经 对 蚕 丝 蜘 蛛 丝 在 内 的 蛋 白质 和 核


不 仅提 高 了 其 过 滤 性 能 且 环 境适 应 范 围广 污 染
,

物浓度适 应 范 围宽 抗 污 染 能力更 强 等 特点
,






等生 物 大分子 进 行 过 静 电纺 丝 试 验 等对 蚕 丝 蛋 白 研究发 现
,
,



生 物 医 用 功 能材 料

壳聚糖
,

体系 以
,

静 电纺 丝 纤 维 由 于 具 有狼 好 的生 物 相 容 性 和
结构 相 容 性 已 经 在 组 织 工 程 支架 移植 涂 膜 药
,
、 、

不 同 比率制成 相 应 的 甲酸 溶 液 并 进 行 静 电 纺 丝

实验




溶 液可 以 形 成 连 续 的 纤 维
,

溶 液则 不 能 进 行静 电 纺 丝


复 合体 系 溶 液所


物释 放 创 伤 修 复 等 方 面 得 到 了 应 用 ”〕 等 用 静 电 纺 丝 方 法 制备 出 可 降解 的聚醋
型 聚 氨醋纳 米 纤 维 可 用 于 骨 骼 的 肌 肉组 织 工 程
,





可 以 进 行 纺 丝 且 复合 体 系 所 纺 的 丝 比

纺 的丝 直 径 要 小
, ,



溶 液 中逐 步 加 人
减小到

支架 发 现 无 毒性 残 留 力 学 性 能较 好 而 且 细 胞

,

,

,

分 所 形 成 的 电纺 丝 直 径 从


培养 结 果表 明 组 织 细 胞 可 以 很 好 地 粘 附 于 静 电
,

组 分 质量 分 数 不 超 过
,

时可 以 形 成
,

连 续 的 电 纺 丝 纤 维 当组 分 质 量 分 数 超 过

纺 丝 支架 上 并进 行 细 胞 分 裂 增 殖 证 明 其 生 物 相 ’ 」 容性 很 好 等 人 将 抗 结 核药 物 和 不 同
,

,

,

时 所 形 成 的 电纺 丝 纤 维 中 成珠 状结构


,

相 连续

相则 形

的 表 面 活性 剂 阴 离 子 阳 离 子 非 离 子 加 人 到 聚乳 酸





溶 液 中进 行 静 电 纺 丝 得 到 的 药
, ,

无 机 物 纳 米 纤维

物 聚 合 物 纤 维 表 面 光 滑 直径 分 布均 匀




药物释
,

邵 长 路 〔 了等 制 备 出 一 氧化 镍 氧 化错 等 无 机 物 纳 米纤 维 其 制 备 过 程 与 聚 合 物 溶 液 静 电 纺 丝
,

‘,

放 试验 采 用 蛋 白酶
,

分解


,

使 药 物从 纤 维


中释 放 出来 实验 过 程 发 现 药物 释放行 为 平 稳 药 物 可 从 载 药 的 纤 维 毡 中 持续 可 控 的 释放 出 来 传感器材料

过程类似



将 一 定 浓度 的 氯 氧化错前 驱 体 溶 液 缓
浓度 的

慢 滴加 到

溶液 中 在 室 温 下 搅 拌
,

制得

刀氯 氧化 错 前 驱 体 溶 液



将前驱体
,

传 感膜 的 灵 敏 度 与 每单位 质 量 膜 的 表 面 积成
正 比 由于 静 电纺 丝 纳 米 纤 维 的 比 表 面 积 比 通 用
,

溶液 加 入 到一 个 带 毛 细 端 的 塑 料 管 内 在 前 驱 体

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,










,

年第
,



膜大 很 多 所 以 用 在 传 感 器 方 面 可 以 大 大 提 高其 。 ”〕 灵 敏度 等将 以 不 同 的 溶 剂 水 乙



尚待 解 决 的 问题 如 标 准 静 电纺 丝 产量很 低 纳米 纤 维质 量 控制 纳米纤维 的 力学性 能表征 等
用 途 范 围相 对较 小

,










进 行静 电纺 丝 制得对
,

敏感


大 多 数 纤 维 均 是 以 无 纺 织 物 的形 式 得 到 其
,

的气体传感 器

其中

含量



的浓 度 空


然 而通 常对纳米纤 维 的理 解


气 湿度 等 因 素 对 其 灵 敏 度 有 一 定 影 响 〕 混 合静 电纺 丝 制 等将 与 得 湿 度 传感 器 将掺 杂 聚 苯 胺
,

是指 获得 单 根 纳米纤 维 或 单 轴纤 维 束

可 是 由于


聚 合 物 射 流 的 飞 行 轨 迹 是 十 分 复杂 的 三 维 抖 动

的磺 酸
和葡萄
, ,

或鞭动
艰难
,



,

获 得 单 根 纳 米 纤 维 或 单轴纤 维 束 十 分
,

与 聚苯 乙 烯 混 合静 电 纺 丝 出 对 糖敏 感 的 传 感 器




目前 世 界 上 众 多 的研 究 者 做 了 大 量 的 研
,

将二 者 分别进 行测 试 发 现


传感 器在湿度 测 试 前 后 发 生 形 变 而
后 者在 测 试 前 后 无 明显 的形 变发 生

究 采 用 各 种方 法 以 获 得取 向结构 的纳 米 纤 维 如 采 用 高 速旋转 的 收 集 筒 「 利 用 辅 助 电 场 或 双 收 集屏 哪 」 等取 得 了 一 些 成 效


静 电 纺丝 法 制 备平


超 疏 水 性 及 其 相 关应 用
浸 润 性是 固 体 表 面 的 重 要 性 质 之 一 改 变 固
,

行排 列 的纳 米 连 续 长丝 技术 鱼 待 发 展


体 表 面 的粗糙 度 可 以 改 变 其 浸 润性 体 表 面 接触 角大 于
,

通 常用 水接
, ,



, ,







触角 的大小来 衡 量 固 体 表 面 水 的浸 润 性 水 与 固
,

吴 大诚 杜 仲 良 高 绪珊 纳米纤维 〔 〕 北 京 化 学工业 出 版




的 表 面 称 为超疏 水 表 面


,

,

,

,

超 疏 水纤维在 防护 服 自清 洁材 料 等 方 面 有 着 重
要 的应 用 价 值
,

【 〕
,

,



川 等人 首先对



,

进 行 静 电 纺 丝 随后 用
,

法 在 其表 面 覆 盖 了一
,

〔 」
,



层极 薄 的超 疏水性 聚 合 物 得 到 的

毡 水接触

,

,

角达 到 响




,

通 过 实 验 对 比发 现 纤 维 的 直 径 大
,
,


, ,

〔」
,



小 与 结 珠 的大小及 结 珠 密度 对水 接触角有 一 定 影

,

其 中后 者 影 响 较 大 结珠 密 度 大并 且 纤 维 直
,



,






径 细 的纤 维水接触 角大





,
, ,

,

,

高 分 子 纳 米模板 许 多金 属 陶 瓷 纳 米 纤 维 都 具 有 某 种 光 电
磁 等 方 面 的 特 性 在 高科 技 领 域 处 于 重 要 地 位
, ,
,



即四









,


,


。仁




,

,



与 传统方法 相 比 以 高 分 子 做模板 用 静 电 纺 丝 技 术 可 以更 容 易 地 获 得 上 述 材 料
, ,

,

,



,



把溶胶 凝胶技
,



〔 〕

,

术与静 电 纺 丝 技 术 相 结 合 首 先静 电 纺 丝 制 备 出
复 合 材料 前 驱 体 再 把 前 驱 体 在 高 温下 缎烧 除去 有 机 物质 从 而 得 到纳 米 直 径 的 金 属 氧化物 纤 维
, , ,



,

,


,


,





”」
,

等以
”〕
,

为模 板 制 备 了
,


, ,

,

,

‘ 叱

孔 纳 米纤维 用 于 太 阳 能 电池 电 极 极 大 的提 高 了 光 电 转 换 效率


,



利用 静 电纺 丝 技 术 生 产 出
技术镀 一 层 高 分 子
由于
不 溶 于 普通 溶






,

,

聚 乳 酸 微米 纤 维 再 利 用


,

,

《 洲

,



材 料 聚二 苯 甲撑
,

,

邵 长 路 关宏 宇 等 静 电 纺 丝 法 制 备

纳 米纤 维 及 其表 征


剂 因 而 洗掉 作 为模 板 的 纳 米 纤 维 形 成 微 米 至 纳 米级 的 管 子


高等学 校 化学 学 报
”肛 是
, ,

,

,

此 涌

,






, ,



,

发展展望

,

,

,


,
,

纳 米纤 维 以 其 奇 异 的 特 性 在 传 统 产 业 和 高
,



。,



?

【又 洲

,

科 技 领 域 已 有 了 很 好 的应 用 并 具有潜在 的 开 发 前



然 而 静 电纺 丝 制 备 纳 米 纤 维 仍 然 存 在许 多
,

,

,



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邹科等 静 电 纺 丝 制备 纳米纤 维 的 进展及应用
, , ,

,

?

仁」
, ,

,

,






于 建香 师 奇松 张淑敏 等 纳 米 空 气 净 化 材 料 【 〕北 京 石 油
,



,

,

化 工学 院 学 报
,

,



,



,

,

,

,

,




,


,

,













,

,

,

,

,


,




,






,



仁〕
, ,



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减 又
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〔 」

,

,

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,

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君 五

,

泣 砂



,




,


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上接第
,




,

,

,





张 春华 架世 林 王 世威 等 辐 照 改性
纤 性 能 〔 〕 维 复 合材 料
, ,
,

纤 维 环 氧树脂 界 面


李金焕

,

黄玉 东 史 瑞 欣
,


,

复合材 料的合成 及 性 能


复 合材料 学报
,

,




,

,



,

,



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,

,

,


,

醚羚



,



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,


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,

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,







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