納米材料制備之靜電紡絲技術的優(yōu)點

發(fā)布日期：2023-08-31      瀏覽次數(shù)：1666

靜電紡絲法是一種簡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)、推進泵、注射器以及收集器等組成。目前通過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、有機聚合物、陶瓷材料等。靜電紡絲可提供核殼結構、管狀結構、多孔結構、空心結構、交聯(lián)結構和顆粒包裹等特殊形貌的納米結構。

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、良好的機械強度以及表面功能化等優(yōu)點，在電子能源、傳感器、催化反應、過濾分離、生物醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，靜電紡絲技術的研究目前主要集中在產品的特性上，通常局限于實驗室的小范圍研究，大規(guī)模生產較為困難。多噴嘴靜電紡絲技術雖然可顯著地提高生產力，但離商業(yè)化應用還有很大距離。其次，實現(xiàn)納米結構精確控制仍然較為困難，需要對溶液參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等進行精細調節(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結合其他材料（如MOFs）以及同軸靜電紡絲等，有望進一步優(yōu)化材料性能以及拓展材料應用。

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伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發(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。在靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓并處于一個電場當中，因此，當射流從毛細管末端向接收裝置運動時，都會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，從而導致了射流在電場中的拉伸。



靜電紡絲技術是一種簡單有效的制備一維納米材料的方法，可應用于氣體吸附、分離、催化劑、電池、生物醫(yī)藥等眾多方面?？梢酝ㄟ^紡絲纖維結合其他材料（MOFs），同軸靜電紡絲等方法提高納米材料性能。另外，電紡纖維存在內部空間，要將其變成致密無缺陷的膜，還需結合原位光聚合、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)域形成微相分離結構，增強膜的性能。

日本 MECC 靜電紡絲設備的特點



 NANON基礎實驗機型



 NF-500高性能實驗機



 ESM醫(yī)療用高性能實驗機型

靜電紡絲法的主要特點是將各種材料（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容易的特點。             

目前為止實現(xiàn)了用以下材料來進行靜電紡絲實驗。（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             

?與無機化合物混合的復合材料



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，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，當電吸引超過聚合物溶液的表面張力時，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?shù)竭_收集器時，射流將降低到納米級。

紡制出的納米纖維會形成如圖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纖維膜會大很多。