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静电纺丝论文技术及其应用

2017-11-13 15:32:09  字体:   打印 收藏 

摘 要:摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米.介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米/纳米管子、超净纳米过滤材料等. 推荐期刊:《化学世界》

关键词:静电纺丝的论文


  摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1纳米.介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺丝技术应用的最新进展,如制备长度无限可控的微米/纳米管子、超净纳米过滤材料等.

  推荐期刊:《化学世界》

  纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100 nm的超微细纤维。它具有比表面积大、孔隙率高等特点,因而可广泛应用于高效过滤材料、生物材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域。20世纪90年代纳米技术研究的升温,使纳米纤维的制备迅速成为研究热点。静电纺制备聚合物纳米纤维具有设备简单、操作容易等特点,是目前为止制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。

  1 国内外静电纺丝技术的理论研究现状

  静电纺丝过程中的带电聚合物,在电场力、表面张力和黏弹力的共同作用下,会发生形变,由圆形变为椭圆形,进而变为锥形。当电场力增大到一定程度时,聚合物就会在锥尖被加速,从而形成射流。Taylorzai于1964年对这个锥形进行了深入的研究。他指出,当电场力的强度增加时,液滴变得越来越扁长,当超过临界电压时,液滴形状将不再稳定,先伸长,然后就趋于锥形。Taylor计算了一个无限流体形成的锥的半角角度α=49.3°,这就是泰勒锥。

  S.V.Fridrikh等提出了一个简单的公式,以分析静电纺丝过程中决定射流直径的力,其为射流表面张力、流动速率和电压的函数。公式预测了射流直径极限的存在。不同的电纺丝纤维的实验数据证明了这一公式的正确性。

  H.Fong、I.Chun和D.H.Reneker提出,使用静电纺丝技术纺出的纤维经常出现规则排列的珠丝。同时指出,射流粘液的粘弹性、电荷分布以及溶液的表面张力是影响珠丝形成的关键因素。

  J.M.Detizel等在工艺参数对纤维尺寸的影响的研究中发现,纺丝电压和溶液浓度是最重要的工艺参数。纺丝电压与纤维成形过程中珠串缺陷有紧密的联系;而溶液的浓度则强烈影响着纤维的尺寸。另外他们还指出,静电场的作用可能会影响静电纺丝形成的纤维织物的宏观尺寸形态。

  杨恩龙等在《静电纺丝技术及其研究进展》一文中指出,静电纺丝中会出现 3 种不稳定状况,即粘性不稳定性、曲张不稳定性和弯曲不稳定性。后两种不稳定性完全是因为射流的表面电荷经电场的作用引起的,而且会随着纺丝射流的伸展而放大。他们还指出,高压静电场下高聚物溶液喷射流不稳定的主要原因是:①表面电荷的相互排斥;②分裂液滴间或更细射流间的相互排斥;③射流与环境流体的混合流动。

  H.Fong等对静电纺丝过程中带有珠节的纳米纤维进行了研究,并得出溶液的黏弹力、射流所带电荷的密度以及溶液的表面张力是产生珠节的关键因素。

  2 静电纺丝设备的研究现状

  传统的静电纺丝装置为单针头装置。基本的静电纺丝装置主要由 3 部分组成 —— 高压静电发生器、喷头或者金属针头和接收装置,如图 1 所示。

  近年来,随着纳米纤维的应用领域不断拓展,其对静电纺丝技术也提出了更多的要求。但是静电纺丝生产效率较低,单针头静电纺丝机生产率只能达到0.1 ~ 1 g/h,导致生产成本过高,对其产业化、规模化以及纳米纤维材料的广泛应用造成了巨大的障碍。因此,各国专家和研究人员一直致力于此问题的解决,先后提出了多针头、无喷头的静电纺丝装置,虽然生产率有一定程度的提高,但仍存在很大的不足。

  2.1 多针头静电纺丝装置

  多针头静电纺丝技术是人们为提高产量首先想到的方法,也是目前提高产量和推进工业化应用最普遍也是最主要的方法之一。

  Theron 等利用 9 个针头排列成 3 × 3 和 9 × 1 阵列进行实验。研究发现,阵列式多针头射流间由于相邻针头间的静电影响会产生相互排斥的现象,这就容易造成针头的堵塞,影响纺丝质量。   为了减弱针头间射流的相互排斥,研究人员做了相关研究。Kim 等采用在 5 个针头周围加上金属圈的方法,还可避免外界环境对射流稳定性的干扰。Tomaszewksi 等利用椭圆形和圆形分布的多针头与线性排布对比,发现圆形分布改善了工艺稳定性,并在一定程度上提高了加工效率。贾志东等通过在每个针头上加上密闭圈,改善了射流排斥现象,提高了纺丝效率。但是辅助电极的安装只能改善射流间的排斥作用,并不能消除。此外,由于装置的复杂性增加,针头数量受到了限制,不利于大规模生产,对产业化产生了不小的障碍。

  2.2 无针头多射流静电纺技术

  多喷头静电纺装置虽然能有效提高纺丝效率,但针头的清洁工作依然是其进一步发展的最大障碍,而且针头间必要的空隙导致装置占地面积的增大,与工业化生产的需求产生矛盾,因此人们逐渐由多针头向无针头静电纺丝技术转移。

  图 2 展示的是世界上首台纳米纤维静电纺丝装备—— Nanospider,其问世在静电纺丝领域是一座里程碑,标志着无针头静电纺技术跨出了重要一步。该纺丝机利用滚筒转动的离心力供液,取代了传统静电纺装置中的针头。

  在纺丝过程中,部分滚筒浸入到纺丝液中,滚筒转动,在离心力的作用下滚筒表面附着的溶液形成无数小液滴,液滴在电场力作用下形成泰勒锥,再在电场力作用下抽拉固化成丝。该装置能生产幅宽超过 1 m 的纳米纤维网,大幅提高了纺丝效率,为静电纺技术的工业化发展奠定了基础。

  目前无针头静电纺技术出现了很多成丝方法,其原理大同小异,都是通过外加作用力在溶液表面形成扰动峰,再在电场作用下抽拉成丝。产生扰动峰的方法有很多种,最典型的莫过于利用圆筒的离心力,此外还有磁场的磁扰动、超声波技术等。但是目前所有的无针头静电纺技术由于所形成的液滴及泰勒锥的大小而随机性较大。例如,气体扰动法就是利用气体向溶液中充气,使溶液表面形成气泡,在电场的作用下使气泡表面带电,带电气泡在电场作用下凸起变形,最终形成向上喷射的射流,该方法得到的纤维直径受气泡大小的影响较大(图 3)。

  最近,相关研究人员使用圆盘和螺旋的长丝代替Nanospider的滚筒作为喷头,设计了如图 4 和图 5 所示的两种静电纺丝装置。实验表明,一个薄壁圆盘式的静电纺丝装置的产量和长丝长度相当于滚筒静电纺丝的100倍;而螺旋式静电纺丝装置可以纺出比传统静电纺丝更细的纤维,且其产量比滚筒式静电纺丝装置还要高。

  3 结语

  静电纺丝技术自发明以来,特别是近10年,无论在生产工艺还是装置研发方面,都取得了很大的进步,但目前依然存在许多尚未解决的问题。

  第一,传统的静电纺丝设备产量低。现阶段,大部分静电纺丝设备仍然使用单针头装置,其产量只能达到0.1 ~ 1 g/h,导致生产成本过高,对其产业化、规模化以及纳米纤维的广泛应用造成了极大的障碍。近几年,各国专家和研究人员都对此问题进行了大量的研究,先后提出多针头、无针头的静电纺准装置,虽然使静电纺产量有了一定程度的提高,但是技术不够成熟,仍存在很大的不足。

  第二,静电纺制备的纳米纤维取向性差。由于静电纺技术成丝过程复杂,纤维取向不易控制,一般只能制成纤维网。

  第三,静电纺丝所制的纳米纤维强力偏低。

  一旦以上问题得到解决,静电纺技术将有可能因其设备简单、操作方便而成为制备纳米纤维最有效和最重要的方法。

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