靜電紡絲原理、參數(shù)及方法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u936靜電紡絲原理、參數(shù)及方法分析概述 1145271.1靜電紡絲的發(fā)展 1143881.2靜電紡絲的原理 1198611.3影響靜電紡絲的重要參數(shù) 2169991.4靜電紡絲方法 4134421.5靜電紡絲纖維的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 51.1靜電紡絲的發(fā)展現(xiàn)今制備納米纖維的方法有很多，大多數(shù)方法都具備有效且簡單的優(yōu)點(diǎn)，靜電紡絲就是其中之一?！办o電紡絲”一詞最早來源于“electrostaticspinning”，現(xiàn)在簡稱為“electrospinning”，顧名思義，在高壓電場的作用下，實(shí)現(xiàn)紡絲的這種技術(shù)就是靜電紡絲。Formhals[26]在1934年發(fā)表了一篇專利，這篇專利中，描述了在電場力的作用下，如何將聚合物溶液通過靜電形成射流，最終固化成納米纖維，并展示了靜電紡絲的裝置圖，這個(gè)時(shí)候，人們認(rèn)識(shí)到了靜電紡絲這一技術(shù)。通過這篇專利，人們知道了，想要獲得直徑在納米級(jí)別的超細(xì)纖維，可以通過靜電紡絲這種方法，所以在靜電紡絲制備纖維上，其被認(rèn)為是技術(shù)開端。接下來，1977年，馬丁等制備了多組分纖維，通過單噴頭靜電紡絲，還通過多噴頭靜電紡制備了多種高分子纖維[27]。1981年，Larrondo和Manly通過運(yùn)用熔體進(jìn)行靜電紡絲，使靜電紡絲這個(gè)技術(shù)受到更多的關(guān)注。終于到了1995年，美國研究小組Reneker明確表示，大量的有機(jī)聚合物可以通過靜電紡絲的方法被制備成亞微米級(jí)別的纖維，對(duì)這些工藝和應(yīng)用進(jìn)行了十分多的報(bào)道。也是這項(xiàng)報(bào)道，正式拉開了靜電紡絲技術(shù)研究的帷幕，直至2004年，納米纖維靜電紡絲機(jī)的出現(xiàn)，為以后納米纖維的發(fā)展做好的鋪墊[28]。1.2靜電紡絲的原理雖然可以制備納米纖維的方法有很多，但是可以能夠連續(xù)并且有效制備的，靜電紡絲是目前唯一一種[29]。其原理是：在高壓電場力的作用下，帶有電荷的聚合物溶液或者熔融體，滴液會(huì)被牽引拉伸，并變成圓錐形狀，即泰勒錐。在電場電壓不斷擴(kuò)大的情況下，聚合物會(huì)對(duì)表面張力形成克服，粘結(jié)力也將受到影響，進(jìn)而以細(xì)流的方式對(duì)外進(jìn)行噴射，隨后其中的溶劑將會(huì)在空氣中揮發(fā)，從而相應(yīng)得到固化的纖維，在收集裝置中以無規(guī)則的范式排列，并由此形成一種與無紡布非常相近的纖維氈，并集中到接收板上[30]。靜電紡絲裝置分為3個(gè)主要的部分：高壓電源、噴射頭、收集裝置，如圖1-1所示[31]，在靜電紡絲的過程中，隨著其電場強(qiáng)度的不斷的增加，針頭的聚合物液滴會(huì)逐漸拉伸成錐的形狀，此形狀稱之為泰勒錐，當(dāng)電場強(qiáng)度不斷增大，達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，靜電力克服了表面張力，聚合物溶液就會(huì)噴射出，此時(shí)其中的溶劑會(huì)揮發(fā)消失，最終在收集板上會(huì)有連續(xù)的纖維沉積。圖1-1靜電紡絲裝置示意圖Fig.1-1Schematicillustrationofbasicsetupforelectrospinning注：1.注射泵；2.注射器；3.噴射針頭；4.高壓電源；5.接收裝置1.3影響靜電紡絲的重要參數(shù)能夠?qū)o電紡絲產(chǎn)生影響的因素有很多，但總體上將主要有三類，分別是溶液性質(zhì)、靜電紡絲加工參數(shù)、環(huán)境參數(shù)。這些因素會(huì)單獨(dú)也會(huì)聯(lián)合產(chǎn)生影響[32-34]。對(duì)靜電紡絲發(fā)展來說，研究這些因素可以對(duì)其提供理論依據(jù)。（1）聚合物溶液參數(shù)：聚合物溶液是進(jìn)行靜電紡絲的前提，纖維形貌會(huì)被其直接影響，這些性質(zhì)主要有相對(duì)分子量、濃度、溶劑極性、揮發(fā)性、電導(dǎo)率等。=1\*GB3①聚合物參數(shù)：聚合物參數(shù)主要包括其種類和組成、溶解性和相對(duì)分子質(zhì)量等。在靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)中，材料有產(chǎn)生細(xì)流和拉伸細(xì)化這兩個(gè)過程，此過程不是所有聚合物都可以完成的，要求材料必須具有導(dǎo)電性、粘彈性等，所以聚合物大多采用天然高分子、合成高分子、多糖和蛋白質(zhì)。同時(shí)，要能實(shí)現(xiàn)靜電紡絲，聚合物需要有較好的溶解性。此外，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量可以影響紡絲液的電學(xué)性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)，如溶液表面張力、黏度、介電強(qiáng)度、導(dǎo)電性等等，都可以影響靜電紡絲纖維形貌。②溶劑參數(shù)：在靜電紡絲中，溶劑很大程度影響了紡絲過程。其有兩個(gè)作用，第一，可以使聚合物以射流方式存在；第二，可以使聚合物分子達(dá)到接收裝置。在選擇溶劑時(shí)，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行挑選，首先可以很好的溶解聚合物，因?yàn)楹芎玫娜芙馐切纬杉徑z液的前提；其次，適中的蒸汽壓、導(dǎo)電率和沸點(diǎn)，以及良好的揮發(fā)性都是溶劑應(yīng)該具備的。=3\*GB3③溶液參數(shù)：纖維的形貌可以被溶液的導(dǎo)電性、黏度和表面張力影響，這種影響機(jī)制是：在紡絲液的導(dǎo)電性變強(qiáng)的情況下，纖維直徑會(huì)變得更小，那么串珠的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)減少；在紡絲液黏度變強(qiáng)的情況下，纖維直徑會(huì)增大，串珠數(shù)量會(huì)相應(yīng)減少；在紡絲液表面張力增加的情況下，不僅會(huì)使纖維直徑變大，此時(shí)由于射流變大，會(huì)導(dǎo)致串珠增多。（2）靜電紡絲加工參數(shù)：工藝參數(shù)主要包含紡絲電壓、接收距離、溶液噴射速率、針頭直徑等[35]。射流的運(yùn)動(dòng)過程被這些參數(shù)影響，因?yàn)樯淞鞯倪\(yùn)動(dòng)是十分重要的階段，此過程可以使纖維成型，所以工藝參數(shù)能夠?qū)w維形貌產(chǎn)生顯著的影響。=1\*GB3①紡絲電壓：電壓對(duì)紡絲過程是非常關(guān)鍵的[36]。在完成了裝置的固定后，隨著電壓的上升，電場強(qiáng)度也會(huì)隨之增強(qiáng)，兩者之間呈現(xiàn)出正比關(guān)系。當(dāng)適當(dāng)增加電場強(qiáng)度時(shí)，聚合物的射流也會(huì)獲得更大的加速度，紡絲時(shí)，飛行速度也就越快。泰勒錐和射流的形態(tài)都被紡絲電壓顯著影響，當(dāng)紡絲時(shí)采用的是濃度比較高的紡絲液，那么就需要更大的電壓使其噴出，否則液體會(huì)纏結(jié)在噴頭處，無法形成泰勒錐。在紡絲過程中，若電壓過低，紡絲液不能受到足夠的拉伸，則會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的液滴滴落的現(xiàn)象，或者是出現(xiàn)一些珠狀非纖維成分，這個(gè)時(shí)候，就可以將電壓增大，這樣就可以對(duì)其進(jìn)行消除。但是，電壓也不是越大越好，過大的電壓會(huì)使纖維噴出速度變大，溶劑不能完全揮發(fā)，最后收集板上沉積的不是納米纖維，而是會(huì)出現(xiàn)凝膠等，使得紡絲實(shí)驗(yàn)失??；電壓過大也會(huì)增大射流的鞭動(dòng)程度，這時(shí)射流會(huì)呈現(xiàn)分裂的狀態(tài)，不利于收集單根纖維。紡絲時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)泰勒錐回縮的現(xiàn)象，這也是因?yàn)殡妷哼^大造成的，所以在紡絲時(shí)，要合理的調(diào)整電壓，不能夠使電壓過高，否則會(huì)引起紡絲過程不穩(wěn)定，這樣也很難得到均勻的纖維。=2\*GB3②噴射速率：對(duì)于噴射出的聚合物溶劑，其噴射速率取決于溶液的流出量。當(dāng)電壓處于某一定值時(shí)，若要使泰勒錐處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，那么就必須保證噴射速率也處于一個(gè)固定的值。當(dāng)噴射速率增加，紡絲射流量也會(huì)隨之增加，所以特別容易出現(xiàn)珠串狀物。此外，纖維沉積凝結(jié)的時(shí)間延長，使纖維內(nèi)部溶劑的量增大，多余的溶劑容易使纖維粘結(jié)。=3\*GB3③針頭直徑：噴射速率不變，當(dāng)使用直徑不一樣的針頭時(shí)，提供的溶液量也不同。當(dāng)針頭直徑偏小時(shí)，可以降低纖維直徑，減少珠串物的形成[37]。但是針頭直徑也不能太小，否則會(huì)很難形成泰勒錐。=4\*GB3④接受距離：射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)受到接受距離的影響。當(dāng)此距離較近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致射流拉伸程度不夠，得到的纖維較粗，同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)溶劑沒有完全揮發(fā)，就接收到了收集板上的現(xiàn)象，導(dǎo)致固化不足。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，雖然可以很好的拉伸纖維，溶劑也會(huì)充分的揮發(fā)，但是會(huì)導(dǎo)致射流運(yùn)動(dòng)混亂，纖維到處紛飛，不好控制。（3）環(huán)境參數(shù)：環(huán)境參數(shù)包括溫度、相對(duì)濕度等[38,39]。溶劑揮發(fā)的速度被溫度影響著，當(dāng)溫度較高時(shí)，溶劑揮發(fā)地更快，此時(shí)纖維分布更加均勻，而且固化程度十分好，所以可以適當(dāng)?shù)奶岣邷囟?，這對(duì)于紡絲來說時(shí)有利的。但是比起溫度來說，濕度正好起著相反的作用，當(dāng)溶劑的親水性較好時(shí)，濕度過大會(huì)顯著影響溶劑揮發(fā)速度，使得固化過程困難，纖維粘連嚴(yán)重，對(duì)于紡絲來說十分不利。所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)，來尋找合適的參數(shù)。1.4靜電紡絲方法目前，靜電紡絲主要方法包括：共混靜電紡絲、單軸靜電紡絲、同軸靜電紡絲、熔融靜電紡絲、多噴頭靜電紡絲等。（1）共混靜電紡絲：共混靜電紡絲中，一般都是應(yīng)用兩種聚合物，并將它們按照相應(yīng)的比例進(jìn)行混合，置于某一相同的溶劑內(nèi)，在通過靜電紡絲對(duì)納米纖維膜進(jìn)行制備。這種方法可以達(dá)到組分功能復(fù)合的作用，同時(shí)在操作方面也比較簡便的，所得到的納米纖維膜在品質(zhì)方面也要更好。比如為了提高原聚合物的實(shí)際應(yīng)用意義，可以將功能性有機(jī)小分子添加至聚合物溶液中，進(jìn)而進(jìn)行納米纖維的制備。同時(shí)，有一些聚合物雖然不具有可以紡絲的性質(zhì)，但是卻有實(shí)際應(yīng)用意義，就可以將其加入到可以紡絲的聚合物中，使其充分混合，提高應(yīng)用效益，這樣也提高不可紡聚合物的使用價(jià)值。但共混電紡制備方法的混合均勻性以及如何確定添加物質(zhì)整體分布的問題仍有待考量。（2）單軸靜電紡絲：單軸靜電紡絲是射流紡絲時(shí)只有一個(gè)單一的噴嘴，這種方法是相對(duì)傳統(tǒng)的。在具體進(jìn)行操作時(shí)，可以對(duì)兩種聚合物紡織液進(jìn)行制備，而后將其按照特定的比例混合在一起，或者是將兩者共同置入同一溶劑中，以此完成納米纖維膜的制備，而這種方法相對(duì)比較簡單，操作也很容易。（3）同軸靜電紡絲：同軸靜電紡絲相較于一般靜電紡絲，其采用復(fù)合型針頭來代替了普通針頭，它是由兩個(gè)毛細(xì)血管相互嵌套組成。核層液體從外部和內(nèi)部的縫隙中流出，芯層液體從內(nèi)部毛細(xì)血管流出，核層液體和芯層液體在針尖處匯合形成復(fù)合液滴，最終形成核-殼結(jié)構(gòu)納米纖維。利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無法單獨(dú)進(jìn)行靜電紡絲的物質(zhì)等作為“核”，將高分子聚合物作為“殼”，擴(kuò)大電紡纖維的功能和應(yīng)用范圍[40]。如張雙虎[41]等利用靜電紡絲技術(shù)研制了TiO2/SiO2復(fù)合中空納米纖維，并對(duì)其做了詳細(xì)分析。李躍軍[42]結(jié)合溶膠-凝膠的過程，同時(shí)對(duì)靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了深入分析，基于此形成了“鐵磁性-反鐵磁性-順磁性”三者能夠彼此進(jìn)行轉(zhuǎn)化的聚丙烯腈(PAN)/醋酸錳(Mn(CH3COO)2)復(fù)合納米纖維。（4）熔融靜電紡絲：目前，熔融靜電紡絲是超細(xì)合成纖維制備研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。雖然說在靜電紡絲中，一般應(yīng)用于聚合物溶液，但是也存在一些聚合物熔體，不適用于溶液方法，所以就出現(xiàn)了熔融靜電紡絲法。熔融法的工藝流程是：首先對(duì)聚合物加熱，使之成為帶有一定黏度的熔體，然后通過靜電紡絲泵持續(xù)均勻地?cái)D壓出噴絲頭細(xì)孔，繼而產(chǎn)生射流，射流噴出后，在外界環(huán)境中會(huì)冷卻固結(jié)，經(jīng)過牽伸后形成絲。熔融靜電紡絲并不需要溶劑，這種方法是將聚合物熔化，使之處于一種熔融的狀態(tài)，然后再進(jìn)行紡絲，所以其更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保[43]，在對(duì)超細(xì)聚丙烯（PP）纖維進(jìn)行制備時(shí)是最為理想的方法。目前，全球?qū)W者對(duì)于這種方法的研究仍然不夠深入，很多裝置都是學(xué)者自己所設(shè)計(jì)出來的，在聚合物的選擇方面也沒有完全確定，對(duì)于紡制出的纖維，其直徑約為1nm[44]。李莘[45]等在研究中應(yīng)用熔融靜電紡絲基礎(chǔ)對(duì)PP纖維進(jìn)行制備，同時(shí)利用現(xiàn)代化技術(shù)條件下的高速攝影技術(shù)，對(duì)整個(gè)聚合物拉伸過程進(jìn)行了拍攝，然后還用電子顯微鏡記性了掃描，更加深入的分析在不同工藝下對(duì)PP超細(xì)纖維進(jìn)行制備的一些表征及特點(diǎn)。研究顯示，當(dāng)處于某一特定范圍時(shí)，如果將紡絲距離縮短，同時(shí)將紡絲電壓加大，紡絲溫度升高，那么所紡絲纖維的直徑將會(huì)更小。另外，對(duì)于溫度這一之標(biāo)的，盡管其能夠使纖維直徑更小，但同時(shí)也可能會(huì)由此引發(fā)纖維粘連的情況。1.5靜電紡絲纖維的應(yīng)用研究現(xiàn)狀靜電紡絲納米纖維擁有較高的比表面積和孔隙率等，并且因?yàn)楸砻嫘?yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等方面的影響，使該材料會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。最近幾年，納米技術(shù)的發(fā)展速度很快，納米纖維的直徑已經(jīng)能夠達(dá)到小于人體細(xì)胞直徑的程度，因而在人體組織修復(fù)等方面應(yīng)用納米纖維也是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的方向。王樂[46]等研究了利用納米纖維膜治療瘢痕，可通過靜電紡絲技術(shù)制得傷口敷料，分析顯示復(fù)合納米纖維在生物相容性方面表現(xiàn)良好，而利用親水性能優(yōu)異的明膠與其混合，則可改善纖維膜的性能，能夠促進(jìn)細(xì)胞的遷移增殖。在食品包裝中，靜電紡絲也發(fā)揮了極大的作用。靜電紡納米纖維在食品加工、食品包裝等方面可以對(duì)活性功能物質(zhì)是釋放形成抑制，使之能夠更加穩(wěn)定。因?yàn)楸缺砻娣e和孔隙率較高，所以常常能在食品保鮮材料開發(fā)中見到它的身影，在抑菌材料與被作用物質(zhì)接觸時(shí)，其可以增加接觸面積，從而增大抑菌效果。所以研發(fā)出安全天然又可以抗菌的納米纖維膜時(shí)很有必要的，其可以用于食品包裝領(lǐng)域。王大鵬[47]等對(duì)靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，通過對(duì)玉米醇溶蛋白制作成為各種食品膜，同時(shí)還將其與殼聚糖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些食品包裝材料的制作，具有非常好的殺菌效用；而與聚乳酸制作出來的包裝材料，則能有效延長全麥面包的貨架期，主要得益于復(fù)合纖維膜能夠控制活性成分的釋放；與明膠制作成的復(fù)合材料則不僅能夠控制活性釋放，在浸入水中依舊能夠保持其結(jié)構(gòu)。最后指出了玉米醇溶蛋白在抗菌、保鮮、食品檢測等領(lǐng)域的廣泛前景，雖然現(xiàn)在只是在起步階段，但也會(huì)因其獨(dú)特的優(yōu)勢能夠在未來發(fā)揮重要作用。王麗超[48]研究了靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用于抗菌包裝材料、乳狀液、試