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静电纺丝纳米纤维在特殊领域的研究现状和应用


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第3卷第 1 l 期 
20 06年 2月  

高 科 盐 纤 讯 与 应 用 
Hi e h F b r Ap l a i n - c   ie & T pi t   c o

V0I l .  No 1 3 .   Fb e .2 o   06

静 电纺丝纳米纤维在特 殊领域 的研 究现状和 应用 
王艳春  ,逯春 民:  

(. 1 同济 大学 材料科 学与工程 学院 高分子研究所 ,上海  20 9 ;2 广饶县 环保局 , 山东 广饶  0 02 .
2 70   5 3 0)

摘 要 :综合 阐述 了 电纺丝制备纳 米纤维的工艺变量 以及静 电纺丝纳米纤维在 特殊领域 的研 究和应用现状 .研 究表 明: 静   静 电纺丝是在静 电场作用下将聚合物溶液 ( 或熔体 )从 喷头喷射 出制备 纳米 纤维的工艺过程 ,纤维直径从几微米到 <10 0  n m,具有独特功能的纳米结构,可 广泛应用 于导电纤维、生物 医用 高分子材料 等特 殊领域 .  
关键词 :静 电纺丝 :纳米纤维;应用 

中图分类号: B 8  T 33

文献标识码:   A

文 章编号:10-85(06 0. 4-   07 1 20 ) 1 05 4 9 0 0

Re e r h a   s a c   ndApp i a i n o   e t o p n lc to   f Elc r s u   Na o b ri   p ca  e s n f e  n S e i l i Ar a  
W ANG Ya — h n . LU Ch n m i   nc u ’   u - n

(. c o l f tr l S i c  n   n iern , o  i nv ri , S a g a 2 0 9  Chn ;2 1 S h o o  e i s c n ea dE gn e ig T n   i st   h n h i 0 0 2   Ma a   e U e y   ia .  
Gu n roE vr n n a P oet nB ra , h n o gP o ic, Gu n r o 2 7 0   Chn ) a g a   n io me tI rtci   u e u S a d n   rvn e   o a ga  53 0 ia 
Ab tac : Ree r h a d a p ia in o  ee to p n n n fb r we e r ve d i  t i p p r sr t s a c   n   p l t   f lc r s u   a o ie   c o r   e iwe   n h s a e .    

Eet0 pn ig i ap o esb   ihp lme  a o b r wi    imee o rta   0   m) a   e I rs inn      r cs  ywhc  oy rn n f es( t ada trlwe h n 1 0n c nb   c s i h

po u e u ig a  e crs t aI r e   e o  oy r ouin o   oy r me .Eetop n rd cd s   n I tot i I d i n jt f p lme slt   r p lme  l lcr s u   n e ac y v   o t
n n f e s wi   p ca  tu t r  a eb e   x li d t    d   a g   fa pia in   u h a  lcrc a o b r  t s e ilsr c u e h v   e n e pot   o a wie r n e o   p l to ss c   s ee ti  i h e c
i e sa d b o d c l p i to s fb r   n   i me ia   p l a i n . a c  

Ke   o d : lcr s i nn ; n n f e ; a piai n y w r s ee t0 p n i g  a o b r  p l t   i c o

刖   蟊 

板 ( )、聚 合物 流 体 供给 系 统 和 高 压 发 生装 置  器

4部分组成 ,如 图 1 所示 。在静 电纺丝 的起始阶  静电纺丝又称 电纺,最早在 13 年由美因人  94 F r a 研究开发 ( omh l s 美国专利,t 7?0 )。静  - 554 9 段 ,聚合物流体 因表 面张力作用贮积在毛细管 内   外流 。当外加 电场 开始作用于毛细管顶端 ,流 

电纺丝过程 ,是聚合物流体 ( 溶液或熔体 )在高 
压 电场 的作用 下,从一个毫米级的喷嘴 中喷 出从  而形成固体纤维 的过程 。静 电纺丝纳米纤维直径 
从几微 米 到 <10n 0 m, 具有 比表 面积 大和 小 孔 尺 

体表面产生大量静电电荷 。毛细管顶端液滴 的表 
面张力受静电斥力削弱  。 ,被逐渐拉长形成带 电锥  体 ,即泰勒锥  当 电场 强度增 大到 特 定临 界值 
时 ,流 体 表 面 的 电荷 斥 力 大 于表 面 张 力 ,带 电流  体 就 会 从 泰 勒 锥 的 顶 点 喷 射 出 来 , 形 成 带 电 射 

寸等优点, 目前广泛应用于导电纤维 、生物 医用   高分子等特殊功能材料领域。  

流。在喷射 区带电射流将经历 一个突然加速的过 
程 , 同时 聚 合 物 因溶 剂 挥 发凝 结或 熔 融 体冷 却 固 

1 静电纺丝原理与工艺参数   
11 静 电纺丝基本原理  .

化形成聚合物纤维形成,并被 高度拉伸而逐渐细  化,最后沉积在接地收集板上。   在静 电纺丝装 置中,毛细管可 以垂直和 水平  放 置  ,两者不 同之 处在 于液 滴的引发机 理不 

静 电纺丝装置主要 由毛细管喷头、纤维收集 

收稿 日 期: 06 1 2 修回日 : 06 21  20- ? ; 01 期 20 - - 0 6 作者简 介: 王艳眷 ( 90),女 ,四川 内江人 ,硕士研究生 ,主修 高分子材料专业 ,( i) 1 5854 子信箱J 18-  ̄ 0 - 97 9( 26  
my u @16cr. he 2. n   o

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4. 6.  

高科 丝讦谁 与 应用 

第 3 卷  l

同。毛 细 管 水 平 放 置 时要 用 活塞 泵 挤 压 毛细 管 中 

流 体 的流 速 、接 收板 的运 动 形 式及 纺 丝环 境温 度  和湿度 等 1艺 参数  “。 = 。   在 聚 合 物 流 体 特 性 方 面 , 聚 合 物 流 体 的 粘  性 、 电导 率 和 表 _ 张力 三 者 共 同决 定静 电纺丝 的  面 成 功与 否 和 纳 米 纤维 的最 终 形态 。对 于 聚合 物 溶  液来 说 , 只 有 其浓 度 达 到 一 定要 求 才 能 形成 连 续  的聚 合 物 纤 维 :但 是 聚 合物 浓 度 和 粘 度又 不 能 过  人 ,否 则 会 阻碍 聚 合 物 的运 动 ,导 致 溶 液无 法 从 
毛细 管喷 出造成 纺丝 失败 。  

流体引发液滴 ,而毛细管垂直放置 时则可以依靠  重力作用或泵两种方式来引发液滴  。有时也会 
以不 同的倾 斜 角 度来 放 置 毛 细管 以达 到控 制 流 体 
流 动特性 的 目的 。  

聚合 物 纤 维 接 收 板通 常是 固 定 的接 地 金 属    F

板或格栅 ,聚合物纤维形成后随意沉积在接收板 
上 而被 收 集 。这种 收 集 方 式 的不 足 是 聚合 物 纳 米 

纤维只能 以无纺布 的形式收集 ,无法获得彼此分  离的纳米纤维丝 。因此 T eo hrn等人采用静电场辅  助收集技术,将纳米纤维缠绕到旋转绕线筒式接  收器,然而纳米纤维丝仍很难达到完全分离  。 … 
12 静 电纺丝 工 艺变 量  . 静 电纺 丝 工 艺 中 ,影 响聚 合 物 纤维 特 性 的 T 

在 工 艺参 数研 究方 面 ,毛细 管 喷丝 头 与 接 收  板 间 的距 离对 纳 米 纤 维 的微 观 结 构 的影 响最 大 。   Wi e  在 对 嵌段 弹性 体 E tn ̄ 5 2 ls k sa e 7 0静 电纺丝  过程 中发 现 , 随着 毛 细 唢丝 头 与 接 收 板 间距 离 的 

减小,纤维 的平均直径逐渐增加  但值得注意 的 
是 , 随 着 毛 细 喷 丝 头 与接 收 板 问距 离 进 一 步 减 
小 ,纤 维 - 会 有 类 液滴 结 构 出现 。 如 果 两者 距 离  l ?

艺变量主要包括聚合物流体特性和 纺丝工艺参数 
两个 方 面 。聚 合物 流 体特 性 主 要 是 聚 合物 的 相 对  分子 质 量 、 相对 分子 质 量分 布 、 链 段 结构 和 聚 合 

减小到某一程度 ,纤维 中的类液滴结构就会变成 
液 滴缺 陷 ,如 图 2所 示 。 ‘    

物流体 ( 溶液或熔融体 )的粘性、 电导率、表 面 
张力 等 特性 参 数 。纺 丝 工 艺参 数 主 要包 括 静 电场 

强度 、毛细管喷丝头与接收板问 的距离、聚合物 

2 静电纺丝纤维的应用 
2 1 特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维  .  
由于静电纺丝是快速相分离和快速固化 两个 
过 程共 同作 用 的结 果 , 因此 可 以通 过 选 择性 地 去 

除溶液中的某种成分,制备高性 能 的特殊表面拓 
扑结构 的功 能性 纳米 纤维 。  

B g i k 等 人 采用 了管 纤 维 模 板 ( UF   ont i z T T) 工 艺对 P A 进 彳 静 电 纺 丝 , 成 功制 各 了聚合物 / L _ ] :   金 属 功 能 性 纳 米 管 。 。TU T 工 艺 过 程 就 是 先 用  F
接收板 

化 学 气 相 沉 淀法 使 P A纤 维 表 面 附着 一 层 聚 p- L  

二 甲苯 ,然后再涂敷上一层 日的金属,最后热 
图 1 静 电纺丝装 置原理 图 

分解 P A纤维内芯,制备中空纳米管。 L  

类液滴现 象 

液 滴缺 陷 

图2 纤维中的类液滴结构变成液滴缺陷示意图Ⅲ  

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第1 期 

王艳春. 逯舂民:静电纺盟纳米纤维在特殊领域的研究现状和应用  

一 7  4-

溶胶 一 凝胶 涂 覆 技术 也 是 一种 制备 功 能 性纳米  技 术 首先 将 无 定 形二 氧 化 钛涂 覆在 聚 L型丙 交 酯 

避 免 了初 期 突 释 所产 生 的危 害 。纤 维 载 体本 身 完 

管 的重要 工艺。C rs auo等人采用 溶胶一 凝胶涂覆  全 生物降解,没有毒副作用 。   由于静 电纺丝纳米纤 维表 面结构的特殊性 ,  
新 生 细胞 易 于 在 其表 面 附着 和 繁殖 , 同 时又 会 沿  纳 米 纤维 导 向生 长 。 因此 静 电纺 丝 纳 米 纤维 结 构  是 一种 理 想组 织 工程 支 架 材料 。L 等人 应 用静 电  j

静 电纺丝纤维 上 ,再热 降解去 除聚 L型丙交 酯  后 ,制备中空二氧化钛纳米管  。 …  

2 2 特殊功能化的纳米级导 电纤维  .
在静 电纺丝 过程 ,可 以向聚合物体系中添 加  特殊导电材料 ,适 当控 制静 电纺丝工艺条件,可 
以实 现 纳 米 纤 维 的特 殊 功 能 化 。 如 向 聚 环 氧 乙  烷 、聚 苯 乙烯或 P O 等聚 合 物 中可添加 有机 导 电  E

纺丝工艺开发 了一种用于组织工程 的纳米纤维结  构。这种结构由直径约为 5 0 0 m 的 D型或  0  ̄80n L型丙交酯与乙交酯的共聚物 P G L A纤维组成 ,  
其 孔径 分 布 、 空 隙率 与 天 然 组织 的细 胞 外 模 型相 
似 

高分子聚苯胺 ,对混合物进行静 电纺丝 ,已成 功 
地 制备 导 电纳米 纤维 。  

24 亚微米级专用过滤基材  . 由 电纺丝纳米纤维生产 的无纺布具有 比表面  静
积大和孔径尺寸小的特点,是一种性能优异 的吸附  和过滤基材。目前静电纺丝工艺制备专用滤布的技  术已广泛应用于亚微米微粒的过滤工艺…。 ’   以聚丙烯纺粘无纺布为基质 ,尼龙 6 静电纺  6 丝纳米纤维 网为主体的新 型复合过滤材料,当用  罱仪是其他过滤材料 2 0% 的情况下 ,微粒过滤  性 能依然与性 能最好 的通用过滤材料 相当。同时 

黄美荣…。 等指出采 用静电纺丝法可制得 导电  聚合物纳米长丝 ,其直径取决于纺丝工艺参数 ,  

且导电聚 合物纳米纤维的电导率 随直径下降而 急  
剧上升,展示 出诱人的性能及应用前景 。如聚苯 
胺 长丝 的最 小直 径 已控制 在 l0n 以下 ,聚苯胺  0 m

分别与聚氯 乙烯和聚苯 乙烯形成的共混纤维最小 
直 径分别 为 9 0n 和 7  m,聚 毗 咯原纤 直径 可  5  m 2n
达 3  m。 0u  

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。同时由于纳米级纤维内的结晶缺陷具有特殊 

由于纳米纤维 的荷 电性取 决于静 电纺丝所采用 的  
聚合物化学特性 ,因此静 电纺丝工 艺也可以用来  生产过滤介质专用的荷 电纤维  。 “  

3 结论和展望 
静 电纺丝工艺生产高性能聚合物纳米纤维的  丁艺流程简单,普遍适 用现有 的聚合物和生物高 
分子 溶 液或 熔 体 。 由于 静 电纺 丝 纳 米 纤 维 的独 特 

的电学特性,因此可以利用纳米纤维的这一特性制 
造纳米级 电子仪器  “ 。因此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。   2 3 生物医用高分子纳米纤维  . 静电纺丝工艺中高分子聚合物呈溶 液或熔融  态 ,因此可 以通过向溶液或熔融体 中添加特殊 医   用用途 的添加剂 ( 可溶或不可溶颗粒物 ),将颗  粒物包裹于纳米纤维 中,实现静 电纺丝纤维的功  能化。如 R nk r ee e 等将花粉孢子 、藻酸盐颗粒和  抗生素盐酸 四环 素等药物加入 到 P A和 P V   L E A (0 0 5 : )混合液中,采用静 电纺丝工艺生产治疗  5
烧 伤专 用敷 料” 。   

结构和优越特性 ,广泛 用于过滤材料 、生物 医用 
和纳 米 级 电子 仪 器领 域 。 因此 应 用 静 电纺 丝 工 艺 

设计和开发 功能化纳米 纤维是新兴功 能材料领域 
的一个 研 究热点 。  

目前有关纳米纤维形态和材料特性 的基础研究 
工作仍处于初期阶段 ,系统化深入地研究静电纺丝  制备纳米纤维的工艺非常迫切:一方面如何实现纳 
米纤维 尺度 、导 向和其 他预 期特 征 的控制 和重 复操  作 ,仍 是静 电纺 丝生产 纳米 纤维 领域 的主 要难题 :  

景遐斌 等将 阿霉 素溶解在可生物 降解 高分 
子 的溶液 中进 行 静 电 纺 丝 ,形 成包 裹 有 阿霉 素 的 

另一方面,对聚合物体系在静 电场q流体不稳定性  J 进行精确描述是制备纳米纤维的关键 。   静 电纺丝纳 米纤维 的应用性研究重 点将会是 
生 物 医 学 应 用 ( 括 人 造 器 官 、组 织 工 程 、 血  包

超细纤维无纺布或纤维毡 。所制得的载药纤维直 
径 可控制 在 01 20.m,载药 量可 根据 需要进 行  .- .1    t 调整 。阿 霉 素 随着 纤 维 载 体 的 降解 而 缓 慢释 放 ,  

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4- 8 

高斟 擅 纤 维 与 庄 用  

第 3 卷  l

管 、给 药 系 统 、创 伤 包 扎 、 呼吸 面 罩 );过 滤 、  

En i e rn   a d gn e ig n   M a e i l Sce c s t r a  in e , M a s c u e t    s a h s ts

分离膜 、防护服;纳米导体以及纳米纤维材料 的   复合等 。而现在更紧迫的研究是纳米纤维 的应用  开发及提供商业化产 品。以尽快 占领市场。  

I s i t  f c n l g   mb i g ,2 0 . n tt eo   h o o yCa u Te rd e 0 0 

10 HER    I l  T   ONA,z S M AN E US   ,YAR N AL  I  .
E e t o t tc f l ? s itd a i n e to   l c r s u   l c r sa i i dsa ss e   l m n   f e e t o p n   e g

n n f rsJ. n tc n l   0 l 1: 8 a o belI Na 0el 0 g ,2 0 ,2 3 4—3 0 i l 0y 9.   1l    ll   DOS J a o e.ae  o wo e o oi s H! .N n 肋 rb sdn n v ncmp s e: t   p o e isa d a pi t n l] N n vn  r , r p r e  n   p l ai sJ. o woe sWo l  t c o d
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M ACDI ARM  AG,J I D  ONES W E,NO RI  D, t l   S I e  _ a 
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p lme  a o b rl . JTetl Ap ae, eh o oy rn n f esRI   xi  p rlT c n l i e  
M a a e S e i l s u : Th  Fi e   ce y p i g n g . p ca is e e b r So it  S rn  

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B OGNI TZK I ,W ENDO RFF J   M   H,G REI NER    A. Su mi r m e e   s a e   p l l c i e fb r  b   b co tr hpd oya t   i e s d y

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eet0pn igJ. I rs inn II c
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W ARNER SB BUER    , A,UG BOLUE  C, t 1 S e  . a 
M 9 -   A f n a n a  i v s i a i n o   t e 8 D0     u d me t I n e t to   f h   l g

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2.1 国内外静电纺丝制备纳米纤维的研究现状 当前,静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备方法之一。对静电纺丝的研究较深人 而且涉及到很多方面,Greiner AEsJ详细分析...
静电纺聚乳酸多孔纳米纤维膜的制备及表征_图文
静电纺聚乳酸多孔纳米纤维膜的制备及表征_纺织/轻...国内有关纳米纤维的文献大多为综述涉及纳米纤维技术 ...(6)某些特殊领域的研究应用 静电纺丝纳米纤维的优异...
静电纺丝
静电纺丝 1 原理 静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺...光电等领域的应用;第四阶段主要研究静电 纺纤维的...静电纺丝技术现状 通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是...
纳米纤维概述
2.1 静电纺丝静电纺丝法是近年来应用最多、发展...他们利用特殊的模头,通过熔 喷技术制备得到直径为 ...纳米纤维具有独特性能,其已成为材料科学领域研究的...
静电纺丝在水处理中的应用
制备的纳米纤维的特殊 结构的种类、 制备有序排列的纳米纤维的方法以及制备三维纳米纤维的进展4 方面静电纺丝进行介绍, 并归纳了静电纺丝技术在水处理中的应用。...
静电纺丝工艺条件对复合材料中纤维形貌影响
静电纺丝是一种简单、方便的生产微米、纳米纤维的...特殊聚合物 过程复杂 射流不稳定 3 影响静电纺丝的...他研究了在有及没有电场力 的情况下液态射流的水压...
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