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静电纺丝的介绍及制备纳米纤维的影响因素
发布时间:2021-07-22     作者:axc   分享到:

静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式,此时雾化分裂出的物质不是微小液滴,而是聚合物微小射流,可以运行相当长的距离,最终固化成纤维。 静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。

静电纺丝的原理

 静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法,与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时,聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡。在静电纺丝过程中,液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中,因此,当射流从毛细管末端向接收装置运动时,都会出现加速现象,从而导致了射流在电场中的拉伸。

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静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素

  静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多,这些因素可分为溶液性质,如粘度、弹性、电导率和表面张力;控制变量,如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之问的距离;环境参数,如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。其中主要影响因素包括:

  1.聚合物溶液浓度

  聚合物溶液浓度越高,粘度越大,表面张力越大,而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱。通常在其它条件恒定时,随着浓度增加,纤维直径增大。

 2.电场强度

  随电场强度增大,高分子静电纺丝液的射流有更大的表面电荷密度,因而有更大的静电斥力。同时,更高的电场强度使射流获得更大的加速度。这两个因素均能引起射流及形成的纤维有更大的拉伸应力,导致有更高的拉伸应变速率,有利于制得更细的纤维。

 3.毛细管口与收集器之间的距离

  聚合物液滴经毛细管口喷出后,在空气中伴随着溶剂挥发,聚合物浓缩固化成纤维,最后被接收器接收。随两者间距离增大,直径变小。

 4.静电纺丝流体的流动速率

  当喷丝头孔径固定时,射流平均速度显然与纤维直径成正比。

 5.收集器的状态不同,制成的纳米纤维的状态也不同

当使用固定收集器时,纳米纤维呈现随机不规则情形;当使用旋转盘收集器时,纳米纤维呈现平行规则排列。因此,不同设备条件所生成的纤维网膜不同。

结语

静电纺丝作为一种简便高效的生产高分子纳米纤维的新型加工技术,用于制备低模量、高柔顺性、高强度的可降解高分子纤维材料是一个重要的科学课题。这类材料研究成功后可用于制作高柔韧性单丝手术缝线,也可用于制备组织工程支架等,这将极大推动医学和生物学的发展与进步。因此未来加强需要以下研究方向的研究:利用静电纺原理,通过改进装置、控制参数,得到连续、尺寸均一、缺陷可控及排列规则的高分子纳米纤维;在了解静电纺过程和静电纺高分子纳米纤维性能的基础上,开发出具有降解速度可控、力学性能和生物相容性良好的高分子纳米纤维,实现纳米纤维的实用化;制成强度在体内能保持较长时间,并在伤口愈合后短时间内可吸收的缝线材料,也是一个重要的研究方向。

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