納米材料制備之靜電紡絲技術的優點

發布日期：2023-08-31      瀏覽次數：2944

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、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點，在電子能源、傳感器、催化反應、過濾分離、生物醫學等領域得到了廣泛的應用，但仍面臨一些挑戰。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，但離商業化應用還有很大距離。其次，實現納米結構精確控制仍然較為困難，需要對溶液參數、工藝參數和環境參數等進行精細調節。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，都會出現加速現象，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、生物醫藥等眾多方面。可以通過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、層層組裝等方法，使納米纖維和空隙填充區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。             

目前為止實現了用以下材料來進行靜電紡絲實驗。（見圖1）

?工業熱塑性聚合物             

?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。

靜電紡絲系統，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，當到達收集器時，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。