國內(nèi)高壓靜電(diàn)紡絲設備(bèi)現在開展迅速,首要原因是國外進口(kǒu)產品(pǐn)對中國市場的衝擊,帶動了國內的前期科研者一起來開拓(tuò)和(hé)替代進口的產品。早在1882年,Raleigh的研究發(fā)現,帶(dài)電的液滴在電場中不穩定,進(jìn)入電場(chǎng)之後,由於電場力的作用,容易劈裂成較小的液滴。Taylor的研究表明,帶電(diàn)的液滴通過噴絲頭進入電場以後,在電場(chǎng)力以及液體表(biǎo)麵張力的(de)共同作用(yòng)下,液滴逐漸被拉長,形(xíng)成一個錐狀(zhuàng)體(Taylor錐),並確定其角度為(wéi)49.3°。
靜電紡絲過程中,聚合物溶液或熔體被擠壓(yā)到噴絲頭,由(yóu)於電場力和表麵張力的作用,在噴絲頭處形(xíng)成Taylor錐,隨著(zhe)紡絲(sī)液不斷的被推入電場(chǎng),紡絲液便會從Taylor錐噴出,在電場中受電場力的作用而被繼續拉伸,當射流被拉伸到一定(dìng)程度時,便會(huì)克服表麵(miàn)張力,發生非穩定性彎曲進而被拉伸並分裂成更細的射(shè)流(liú),此時射流的比表麵積迅速增大而使溶劑快速揮(huī)發,終(zhōng)在收集裝置上被收集(jí)並固(gù)化(huà)形成非織(zhī)造(zào)布狀的纖維氈。
靜電紡絲的影(yǐng)響(xiǎng)因素(sù)主要包括溶液性質(如黏度、濃度、相對分子質量分布、彈性傳導率(lǜ)、介電(diàn)常(cháng)數、表麵張(zhāng)力(lì)等),過程條件(如(rú)電壓、擠出率、噴絲頭與接收(shōu)裝置之間的距離(lí)、噴絲頭(tóu)直徑等)和環境(jìng)因素(如溫度、濕度、氣體流速等)。對於(yú)這一方麵,很多人進行了研究。
現有的(de)研究結果(guǒ)表明,在靜電紡(fǎng)絲過程中,影響纖維性能的主要工藝參數主(zhǔ)要有:聚合物溶液濃度、紡絲電壓、固化距離(噴嘴到接絲裝置距離)、溶劑(jì)揮發(fā)性和擠出速度等。
(1)合物溶液濃度
聚合物溶液(yè)濃(nóng)度越高,粘度越(yuè)大,表麵張力越大,而離開噴嘴後液(yè)滴分裂能力隨表麵張(zhāng)力增大而減弱。通常在其它條件不(bú)變時,隨著聚合物溶液濃度的(de)增加纖維的直徑也增大。
(2)紡絲電壓
隨著對聚合物溶液施加的電壓增大(dà),體係的靜電力增大,液滴(dī)的(de)分裂能力相(xiàng)應增強,所得纖維的直徑趨於減少(shǎo)。
(3)固化距離
聚合物液滴經噴嘴噴(pēn)出後,在空氣中伴隨著溶劑揮發細流(liú)中的同時,合物濃縮固化成纖維,後被接絲裝置接受。對於(yú)不同的體係,固化距離對纖維直徑(jìng)的(de)影響不同。例如,對於聚苯乙烯(PS)/THF體係研究表明,改變固化距離,對纖維直徑的影響不明(míng)顯(xiǎn)。而對於聚丙烯腈(PAN)/N,N-二甲基甲酰胺(DMF)體(tǐ)係,纖維直(zhí)徑隨著接收距離的增大而(ér)減小。
(4)溶劑
與常規的溶液紡絲相似,溶劑的性質對溶液電的(de)靜電紡絲纖(xiān)維的(de)成形與結構和性能有很大的影響,溶劑的揮(huī)發性對(duì)纖(xiān)維的形態起著重要的(de)作用。
4靜電紡絲技術的應(yīng)用
隨著納米技術的發展,靜電紡絲作為一種簡便有效的可生產納米纖維的(de)新型加工技術,將在生(shēng)物醫用材料、過(guò)濾及防護、催化(huà)、能源、光電、食品工(gōng)程、化(huà)妝品等領域發揮巨大作用。
①在生物醫學領(lǐng)域,納米纖維的(de)直徑小於(yú)細胞,可以模擬天然的細(xì)胞外基質的結構和生物功能;人的(de)大多數組織、器官在形式和結構上與納米纖維類似,這為納米纖維用(yòng)於組織和器官的(de)修複提供了可能;一些電紡原料(liào)具有很好的生物相容性(xìng)及可降解性,可(kě)作為載體(tǐ)進(jìn)入人體,並容易被吸收(shōu);加之靜電紡納米纖維還有大的比表麵積、孔隙率等優良特(tè)性,因此,其在生物醫學領域引起了研究者的持續關(guān)注,並已在藥物控釋(shì)、創傷(shāng)修(xiū)複、生物組織工(gōng)程等方(fāng)麵得到了很好的應用。
②纖維過濾材料的過濾效率會隨著纖維直徑的降低而提(tí)高(gāo),因(yīn)而(ér),降低纖維(wéi)直徑成為提高纖(xiān)維(wéi)濾材(cái)過(guò)濾性能的一種有效方法。靜電紡纖維除直徑小(xiǎo)之(zhī)外,還具有孔徑小、孔隙率高(gāo)、纖維均一性(xìng)好等優點,使其在氣(qì)體過濾、液體過濾及(jí)個體防護等領域表現出巨大的應用潛力。
③靜電紡纖(xiān)維能夠有效調控纖維的(de)精(jīng)細結構,結合低表(biǎo)麵能的物質,可獲得具有超疏水性能的材料,&並有(yǒu)望應用於(yú)船舶的外殼、輸油管道的內壁、高層玻璃、汽車玻璃等。但是靜電紡纖維材料若要實現在上述自清潔領域的應用,必須提(tí)高其強力、耐磨性以及纖維膜材料與基體材料的結合(hé)牢度等。
④具有納米(mǐ)結構的催化劑顆粒容易團聚,從而影響其分散(sàn)性和(hé)利用率,因此靜電紡纖維材料可作為(wéi)模板而(ér)起到均勻分散作用,&同時也可發揮聚合物載體的柔韌性和易操作(zuò)性,還(hái)可(kě)以利用催化材料和聚合物微納米尺寸的表麵複合產生較強的協同效應,提(tí)高催化效能。
⑤靜電紡納米(mǐ)纖維具有較高的比表麵積和孔隙率,可增大(dà)傳感材料與被檢測物的作用區域,有望大幅度(dù)提(tí)高傳感器性能。此外,靜電(diàn)紡納米纖維還可(kě)用於能源、光電、食品工程等(děng)領域。