靜電紡絲法是一種簡(jiǎn)單且有效制備納米材料的方法,其裝置主要由高壓供電系統(tǒng)、推進(jìn)泵、注射器以及收集器等組成。目前通過(guò)靜電紡絲法已成功地制備出多種直徑低至數(shù)十納米的納米纖維,包括金屬氧化物、有機(jī)聚合物、陶瓷材料等。靜電紡絲可提供核殼結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和顆粒包裹等特殊形貌的納米結(jié)構(gòu)。
靜電紡絲納米纖維膜具有低成本、綠色環(huán)保、大的比表面積、高的孔隙率、良好的機(jī)械強(qiáng)度以及表面功能化等優(yōu)點(diǎn),在電子能源、傳感器、催化反應(yīng)、過(guò)濾分離、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先,靜電紡絲技術(shù)的研究目前主要集中在產(chǎn)品的特性上,通常局限于實(shí)驗(yàn)室的小范圍研究,大規(guī)模生產(chǎn)較為困難。多噴嘴靜電紡絲技術(shù)雖然可顯著地提高生產(chǎn)力,但離商業(yè)化應(yīng)用還有很大距離。其次,實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)精確控制仍然較為困難,需要對(duì)溶液參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。第三,所制備電紡膜的分離選擇性能有待提高,目前利用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合其他材料(如MOFs)以及同軸靜電紡絲等,有望進(jìn)一步優(yōu)化材料性能以及拓展材料應(yīng)用。
靜電紡絲原理
靜電紡絲法即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法,與傳統(tǒng)方法截然不同。首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬(wàn)伏高壓靜電,帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí),聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。細(xì)流在噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)或固化,最終落在接收裝置上,形成類似非織造布狀的纖維氈。在靜電紡絲過(guò)程中,液滴通常具有一定的靜電壓并處于一個(gè)電場(chǎng)當(dāng)中,因此,當(dāng)射流從毛細(xì)管末端向接收裝置運(yùn)動(dòng)時(shí),都會(huì)出現(xiàn)加速現(xiàn)象,從而導(dǎo)致了射流在電場(chǎng)中的拉伸。
靜電紡絲技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的制備一維納米材料的方法,可應(yīng)用于氣體吸附、分離、催化劑、電池、生物醫(yī)藥等眾多方面。可以通過(guò)紡絲纖維結(jié)合其他材料(MOFs),同軸靜電紡絲等方法提高納米材料性能。另外,電紡纖維存在內(nèi)部空間,要將其變成致密無(wú)缺陷的膜,還需結(jié)合原位光聚合、熱壓、空隙填充聚合物浸漬、交聯(lián)、層層組裝等方法,使納米纖維和空隙填充區(qū)域形成微相分離結(jié)構(gòu),增強(qiáng)膜的性能。
日本 MECC 靜電紡絲設(shè)備的特點(diǎn)
NANON基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)機(jī)型
NF-500高性能實(shí)驗(yàn)機(jī)
ESM醫(yī)療用高性能實(shí)驗(yàn)機(jī)型
靜電紡絲法的主要特點(diǎn)是將各種材料(主要是聚合物)紡成納米纖維形狀,另外還具有纖維形狀的控制相對(duì)容易的特點(diǎn)。
目前為止實(shí)現(xiàn)了用以下材料來(lái)進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)。(見圖1)
?工業(yè)熱塑性聚合物
?可生物降解聚合物
?聚合物混合物
?與無(wú)機(jī)化合物混合的復(fù)合材料
靜電紡絲法通常使用材料溶解于溶劑中的溶液作為紡絲材料。
近年來(lái),氧化鋁、氧化鋯、鈦氧化物、鋯鈦酸鉛等陶瓷納米纖維的紡絲實(shí)例頻頻出現(xiàn)。
靜電紡絲系統(tǒng),如圖1所示,由高壓電源、聚合物溶液、注射器、噴頭和接地收集器組成。聚合物溶液將以恒定的速度從注射器中推出至噴頭上。
在噴頭上施加20kv至40kv的高壓,當(dāng)電吸引超過(guò)聚合物溶液的表面張力時(shí),聚合物溶液噴射器將注向收集器。射流中的溶劑逐漸揮發(fā),當(dāng)?shù)竭_(dá)收集器時(shí),射流將降低到納米級(jí)。
紡制出的納米纖維會(huì)形成如圖2所示的膜。
纖維的取向性取決于收集器。
納米纖維膜的單位體積的總表面積比微米級(jí)纖維膜會(huì)大很多。