静电纺丝法制备纳米材料.ppt

材加2 0 1 2 -A1班：周孟宇 曹阳 付晨 胡日 静电纺丝的历史静电纺丝的原理及相关概念静电纺丝的设备和特点静电纺丝的应用目录 1 9 3 4年Formhals 1 9 6 6年Simons 1 9 7 1 年Baumgarten 1 9 8 1 年Larrondo和 Manley首 次 在 专 利中 提 出 该 技术 。 他 设 计了 一 套 聚 合物 溶 液 在 强电 场 下 的 喷射 进 行 纺 丝的 加 工 装 置 。 专 利 中 叙 述了 用 静 电 纺丝 技 术 制 备超 细 超 轻 无纺 布 的 装 置 ，且 发 现 粘 度高 时 ， 纤 维连 续 ， 粘 度低 时 ， 纤 维短 且 细 。 设 计 了 一 套 装置 ， 可 以 制 备直 径 在 0.05-1.1微 米 的 丙 烯酸 纤 维 。 考 察了 纤 维 直 径 与溶 液 黏 度 、 射流 长 度 及 环 境气 体 组 分 之 间的 关 系 。 将 聚 乙 烯 和聚 丙 烯 熔 体纺 成 连 续 的纤 维 ， 研 究发 现 ， 直 径取 决 于 电 场 ，操 作 温 度 和熔 融 体 粘 度 ，与 喷 丝 嘴 直径 无 明 显 关系 。静 电 纺 丝 技 术 的 发 展 历 史 简单的说，静电纺丝就是将聚合物溶液或熔体带上高压静电,带电聚合物液滴在电场的作用力下在毛细管的顶点形成Taylor锥。当电场力足够大时，聚合物液滴就可以克服表面张力形成喷射细流，细流在喷射过程中溶剂蒸发,产品最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。 电 喷 技 术 ： 在 高 压 静 电 场 下 ， 导 电 液 滴 能 够 发 生 高 速喷 射 的 现 象 。 静 电 纺 丝 ： 可 以 认 为 是 带 电 射 流 电 雾 化 的 一 种 变 形 ，当 液 体 的 粘 度 较 小 时 ， 射 流 在 受 到 电 场 力 的 作 用 后 破 裂为 许 多 细 小 的 液 滴 ， 液 滴 的 直 径 介 于 微 米 和 纳 米 之 间 ，当 液 滴 的 粘 度 较 大 时 ， 就 会 形 成 纤 维 。 泰 勒 锥 ： 随 着 电 场 力 的 增 加 ， 液 滴 逐 渐 被 拉 长 ， 当 所施 加 的 电 场 力 的 数 值 与 液 滴 的 表 面 张 力 相 等 时 ， 液 滴 就形 成 了 顶 角 为 49.3 的 圆 锥 ， 被 命 名 为 “ 泰 勒 锥 ” 。相关概念 静 电 纺 丝 装 置 图 静 电 纺 丝 的 基 本 设 备 包 括 ： 高 压 电 源 、 喷 丝 头 和 接 收 装 置 。纺 丝 液 通 过 注 射 泵 从 喷 丝 头 中 挤 出 形 成 小 滴 ， 小 滴 在 高 压 电作 用 下 变 成 锥 形 ， 在 超 过 某 一 临 界 电 压 后 进 一 步 激 发 形 成 射流 ， 射 流 在 空 气 中 急 剧 震 荡 和 鞭 动 ， 从 而 拉 伸 细 化 ， 最 终 沉降 在 接 收 装 置 上 。基 本 设 备 高 压 电 源 高 压 电 源 提 供 产 生 纺 丝 液 射 流 的 高 压 电 ， 电 源 的 两极 分 别 连 接 在 喷 丝 头 和 接 收 装 置 。 根 据 电 源 性 质 的 不 同 ，可 分 为 直 流 和 交 流 高 压 电 源 两 种 ， 都 可 用 于 静 电 纺 丝 。 直 流 高 压 电 在 电 纺 过 程 中 通 常 采 用 感 应 充 电 的 方 式 ，即 将 直 流 高 压 电 直 接 接 在 喷 丝 头 上 ， 接 收 装 置 接 地 或 反 之 。电 压 极 性 对 纺 丝 过 程 影 响 不 大 ， 实 验 室 多 采 用 高 压 正 电 纺丝 。 交 流 电 电 纺 可 显 著 提 高 射 流 鞭 动 的 稳 定 性 ， 纤 维 变粗 但 有 序 性 增 加 ， 同 时 也 可 在 绝 缘 的 接 收 装 置 上 有 较 大 的接 收 面 积 。 但 在 纺 丝 过 程 中 交 流 电 频 率 不 易 调 整 （ 要 考 虑每 次 的 实 验 条 件 ： 温 湿 度 、 溶 液 性 质 等 ） 。 喷 丝 头 喷 丝 头 的 作 用 就 是 在 纺 丝 过 程 中 产 生 纺 丝 小 液 滴 ， 提 供 射 流 激 发 位 点 。一 般 分 为 无 针 头 和 针 头 两 种 不 同 的 喷 丝 体 系 ， 其 中 针 头 体 系 根 据 针 头 数 量 和形 式 的 不 同 ， 还 可 以 进 一 步 分 为 单 头 、 同 轴 、 并 列 、 多 头 等 不 同 的 形 式 。1、 无 针 头 体 系 。 核 心 思 想 就 是 在 自 由 聚 合 物 溶 液 表 面 形 成 大 量 射 流 激 发 位 点 。 2、 针 头 体 系 。 1） 单 针 头 单 针 头 最 常 见 ， 根 据 需 要 可 选 择 不 同 型 号 的 针 头 。 2） 同 轴 针 头 同 轴 电 纺 的 一 个 优 点 在 于 可 以 突 破 单 头 体 系 的 限 制 ，将 一 些 难 以 直 接 电 纺 的 聚 合 物 通 过 同 轴 电 纺 装 置 制 备 纳 米纤 维 。 另 一 个 优 势 是 通 过 将 核 层 选 择 性 移 除 ， 还 可 以 制 备中 空 纳 米 纤 维 结 构 。 3） 并 列 式 针 头 并 列 式 针 头 体 系 是 一种 结 构 简 单 却 易 于 实 现 功 能化 纳 米 纤 维 制 备 的 喷 丝 头 体系 。 它 将 不 同 的 聚 合 物 溶 液通 过 紧 密 靠 在 一 起 的 并 列 式针 头 同 时 进 行 射 流 激 发 ， 在电 纺 过 程 中 平 行 射 流 融 合 ，得 到 多 根 纤 维 互 相 连 接 的 束状 单 根 纤 维 ， 因 此 特 别 适 合制 备 双 组 份 聚 合 物 纤 维 。 并 列 式 针 头 4） 多 针 头 在 并 列 式 针 头 装 置 的 基 础 上 ，进 一 步 增 大 针 头 间 的 距 离 就 发 展 为多 可 针 头 体 系 ， 针 头 数 量 从 2个 到十 几 个 不 等 ， 也 称 为 平 行 电 纺 。 多 针 头 纺 丝 体 系 2、 辅 助 接 收 装 置 在 射 流 鞭 动 细 化 过 程 中 ， 主 要 受 到 电 场 力 的 作 用 ， 因 此 通 过 引 入 接 收 装 置改 变 电 场 形 状 或 者 引 入 其 他 场 如 磁 场 ， 就 能 调 控 射 流 运 动 轨 迹 ， 达 到 可 控 收 集 的目 的 。 环 形 电 极 辅 助 接 收 装 置 单 针 头 纳 米 纤 维 同 轴 纳 米 纤 维 静 电 纺 丝 的 特 点 + kv 控制纤维取向1 .溶液浓度 (离子和聚合物)2 .推进器的速度3 .电场强度1 .收集器的形状2 .收集器的运动3 .外加磁场 控制纤维直径 静 电 纺 丝 的 特 点空心CFO纤维 PZT芯CFO 壳纤维CFO芯 PZT 壳纤维 控制纤维结构 静电纺丝的应用电池和电极材料 以锂离子电池为例，静电纺能很好的改变其性能。 将PAN的静电纺丝和惰性气体下的热处理巧妙的结合起来，制备出高纯的碳纳米纤维网络结构，由于其优良的物理和化学性质，这种碳纳米纤维能够很好的改善锂离子电池（LiB）的电容率。因此，此碳纳米纤维是高功率LiB的理想阳极材料。 用同轴静电纺丝法制备出复合纳米纤维，然后将纺出的纤维浸在正辛烷中，以除去纤维中的油，之后将其在Ar/H2氛围中1 0 0 0 煅烧5 h，最终得到包含有Sn和碳的中空碳纳米纤维，这种复合物在0 .5 C循环2 0 0次后展现出高达7 3 7 mAh/g的可逆电容。作为电池材料具有很好的稳定性和可重复性。此外，这种含有Sn和碳的中空碳纳米纤维结构中有很高的Sn含量（接近7 0 wt%），提供了很好的孔隙率，也避免了Sn纳米颗粒的破碎。 静 电 纺 丝 的 应 用 化学及生物传感器 由静电纺丝得到的纳米级纤维制备化学传感器因为具有超高的比表面积、快速的反应时间、良好的灵敏度和选择性等优点备受关注。纳米化学传感器在环境污染物检测、工业反应检测、食品安全监督、药物成分分析等方面有广泛的应用。 用静电纺丝法制备PANI纳米纤维，并将纤维沉积在Au电极上，制备成NH3传感器。纳米纤维传感器可以在几分钟内完成NH3的检测过程。 利用高压静电纺丝作为生物敏感元件，优点在于纺丝材料良好的生物相容性，可以通过各种方式将纺丝纤维与生物大分子进行组装，并且达到特异性被测物的目的。由于高的比表面积，足够的生物大分子可以吸附在纺丝表面，并且与被测物达到充分接触、反应，最终实现高灵敏度检测的目的。 静 电 纺 丝 的 应 用 生物及医药 纳米纤维可用于人造血管、药物输送和组织工程等材料中。纳米纤维材料作为载药体系可以避免药物突释效应，还可以有效地防止药物在人体内的降解或者失活；能够从结构和功能两个方面模仿天然基质是一个理想的组织工程支架。 静 电 纺 丝 的 应 用 高效过滤材料 纳米纤维复合制品具有高孔隙率、高表面能和高比表面积的性能，可大大提高过滤效率，且由于纳米纤维的直径小、纤维膜轻薄，降低过滤阻力。作为空气过滤材料，可在制药、实验室、医院、食品、化学及化妆品工业中使用。 将聚偏氟乙烯（PVDF）静电纺丝纳米纤维薄膜应用在固液分离领域，证明了其去除颗粒的适用性。经过表征发现，PVDF静电纺丝纤维薄膜与传统的微滤膜具有相似的性质。这种膜被用于分离1 m、5 m、1 0 m的聚苯乙烯颗粒。实验结果表明此纤维膜能除去溶液中9 0 %的微米颗粒。 参 考 文 献1 . 刘娜, 杨建忠. 静电纺纳米纤维的研究及应用进展J. 合成纤维工业, 2 0 0 6 , 2 9 (3 ): 4 6 .2 . 杜建时，杨清彪，王永芝等. 静电纺丝法制备PVP螺旋纤维及其机理研究J. 高等学校化学学报,2 0 0 6 .6 .3 . Fong H, Reneker D H. Electrospinging and formation of nanofibersM. In:Salem DR, editor. Structure formation in polymeric. Munich: Hanser，2 0 0 1 , 2 2 5 -2 4 6 .4 . A. L. Yarin, E. Zussman. Upward needless electrospinning of multiple Polymer, nanofibersJ., 2 0 0 4 . 4 5 : 2 9 7 7 -2 9 8 0 .5 . Seana Seraji, Yun Wu, Nel E. et. al. Patterned microstructure of sol-gel derived complex oxides using soft lithographyJ. Advanced materials.，2 0 0 0 . 1 2 : 1 4 2 1 -1 4 2 4 .