静电纺丝纳米纤维在特殊领域的研究现状和应用.pdf
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第3l卷第1期2006年2月高科盐纤讯与应用Hi-TechFiberApplicationV0I3lNo1Feb20o6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200092;2广饶县环保局,山东广饶257300)摘要:
综合阐述了静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100nm,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:
TB383文献标识码:
A文章编号:
1007-9815(2006)010045-04ResearchandApplicationofElectrospunNanofiberinSpecialAreasWANGYanchunLUChun-min(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ToniUniversity,Shanghai200092China;2GuangraoEnvironmentaIProtectionBureau,ShandongProvince,Guangrao257300China)Abstract:
ResearchandapplicationofelectrospunnanofiberwerereviewedinthispaperEIectr0spinningisaprocessbywhichpolymernanofibers(withadiameterlowerthan100nm)canbeproducedusinganeIectrostaticaIIydrivenjetofpolymersolutionorpolymermeltElectrospunnanofiberswithspecialstructurehavebeenexploitedtoawiderangeofapplicationssuchaselectricfibersandbiomedicalapplicationsKeywords:
electr0spinning;nanofiber;application刖蟊静电纺丝又称电纺,最早在1934年由美因人Formhals研究开发(美国专利,t-975504)。
静电纺丝过程,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100nm,具有比表面积大和小孔尺寸等优点,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。
1静电纺丝原理与工艺参数11静电纺丝基本原理静电纺丝装置主要由毛细管喷头、纤维收集板(器)、聚合物流体供给系统和高压发生装置4部分组成,如图1所示。
在静电纺丝的起始阶段,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收稿日期:
2006-0112;修回日期:
2006-02-16作者简介:
王艳眷(1980-),女,四川内江人,硕士研究生,主修高分子材料专业,(i)021-65987594(子信箱Jmyhue126corn维普资讯http:
/46高科丝讦谁与应用第3l卷同。
毛细管水平放置时要用活塞泵挤压毛细管中流体引发液滴,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Theron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、聚合物接收板图1静电纺丝装置原理图类液滴现象流体的流速、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_面张力三者共同决定静电纺丝的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。
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。
Wilkes在对嵌段弹性体Estane5720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-l会有类液滴结构出现。
如果两者距离减小到某一程度,纤维中的类液滴结构就会变成液滴缺陷,如图2所示。
2静电纺丝纤维的应用21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。
Bognitzki等人采用了管纤维模板(TUFT)工艺对PLA进彳_:
静电纺丝,成功制各了聚合物金属功能性纳米管。
TUFT工艺过程就是先用化学气相沉淀法使PLA纤维表面附着一层聚p-二甲苯,然后再涂敷上一层日的金属,最后热分解PLA纤维内芯,制备中空纳米管。
图2纤维中的类液滴结构变成液滴缺陷示意图液滴缺陷维普资讯http:
/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一47-溶胶一凝胶涂覆技术也是一种制备功能性纳米管的重要工艺。
Caruso等人采用溶胶一凝胶涂覆技术首先将无定形二氧化钛涂覆在聚L型丙交酯静电纺丝纤维上,再热降解去除聚L型丙交酯后,制备中空二氧化钛纳米管。
22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PEO等聚合物中可添加有机导电高分子聚苯胺,对混合物进行静电纺丝,已成功地制备导电纳米纤维。
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l00nm以下,聚苯胺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950nm和72nm,聚毗咯原纤直径可达30um。
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。
23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Reneker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PLA和PEVA(50:
50)混合液中,采用静电纺丝工艺生产治疗烧伤专用敷料”。
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01-201tm,载药量可根据需要进行调整。
阿霉素随着纤维载体的降解而缓慢释放,避免了初期突释所产生的危害。
纤维载体本身完全生物降解,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。
Lj等人应用静电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500800nm的D型或L型丙交酯与乙交酯的共聚物PLGA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24亚微米级专用过滤基材由静电纺丝纳米纤维生产的无纺布具有比表面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66静电纺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20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:
另一方面,对聚合物体系在静电场qJ流体不稳定性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(包括人造器官、组织工程、血维普资讯http:
/48-高斟擅纤维与庄用第3l卷管、给药系统、创伤包扎、呼吸面罩);过滤、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。
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