P.Ganesan;G.Thilagavathi;T.V.Ayeshvaryaa;杨铖
【摘 要】静电纺丝是一种常见的连续生产纳米级纤维(直径在几微米到几纳米)的技术.它是将纳米纤维制成各种结构形式,如非织造织物膜、取向纤维束及三维结构支架的最常用方法.这些材料由于其被提升的性能,可应用于工业用纺织品、医用纺织品、防护材料、储能设备、农业、电器、光学设备等特殊领域.纤维素作为一种来源丰富的生物可降解、生物相容聚合物,引起研究者们的强烈兴趣,纳米织物中纳米纤维素纤维的广阔前景也显示其应用广泛.研究涉及了纤维素静电纺丝的历史、近况及前景.
【期刊名称】《国际纺织导报》
【年(卷),期】2014(042)006
【总页数】4页(P26-28,30)
【关键词】纤维素;静电纺丝;聚合物
【作 者】P.Ganesan;G.Thilagavathi;T.V.Ayeshvaryaa;杨铖
【作者单位】PSG技术学院(印度);PSG技术学院(印度);印度技术研究院(印度)
【正文语种】中 文
纤维素是一种生物可降解的天然聚合物。在世界大部分地区它都是一种来源丰富的可再生资源，从而成为一种廉价原材料而应用于各个领域。纤维素在不同行业有许多潜在应用。纤维素纤维广泛应用于滤材、生物医药材料和防护服等领域，由于比表面积大，表面功能化灵活及机械性能优越，使得纳米纤维，特别是纳米聚合物纤维在药物载体、组织工程和伤口愈合等各领域前景广阔。在许多纳米纤维织物的生产方法中，静电纺丝法可能是最常用的加工方法。静电纺丝法在学术研究和工业应用上均备受关注，这是因为：
——可以生产直径低至几纳米的连续纤维；
美容枕——适用材料广泛，如合成聚合物、天然高分子、金属、陶瓷及复合材料；
——制备纳米纤维成本低、产量高。
基于上述优势，静电纺丝大幅提升了材料的纳米结构化及对应的功能化。
本文着眼于介绍静电纺丝技术和纳米纤维素纤维的静电纺丝工艺，并将详述工艺参数对结构形态和静电纺丝纤维特性的影响。
硅气凝胶静电纺丝是一种用于制备纳米级纤维的简易、通用方法，由此可生产出高功能化及高性能的纳米纤维。静电纺丝受到广泛关注不仅是因为它能纺出各种聚合物纤维，更因为它能生产亚微米级纤维。
与传统的干法或湿法纺丝这类纤维成形方法不同，静电纺丝是利用溶液或熔体固化时进行静电力牵伸。与传统成形方法相似，只要有足够的溶液进入静电纺丝喷嘴，便可连续牵伸溶液成纤。因此，收集的纤维层是杂乱无章的、连续的纳米纤维。
1.1 加工工艺
静电纺丝是一种制备静电纺纤维的独特方法，依据不同聚合物类型及加工条件可生产微米级到纳米级的纤维。
动态投影灯图1所示为静电纺丝试验装置。使用的仪器构造简单，由正/负极的高压电源、将溶液送到喷丝板上的毛细管/管状注射器及一个导电接收器(如铝制接收器)构成。正/负电极一端插入聚合物流体或装在金属探针上，另一端连在接地的接收器上。按照不同要求，接收器可以是平板、滚筒或是其他形式的。
聚合物溶液或熔体在注射器的作用下喷出，并在毛细管端形成聚合物液滴。浸入的电极给予注射器中的聚合物溶液高电势，从而引导溶液中的自由电荷迁移并聚集在毛细管末端。随着电场强度增加，毛细管末端的流体半球形表面拉长并变为圆锥状，即泰勒锥。当电场进一步增加，静电排斥力超过流体表面张力达到临界值时，带电射流便会从泰勒锥尖端喷出。锥顶出现后射流会经历不规则活动或弯曲失稳的过程，之后飞向含反向电荷用来收集带电纤维的接收器。当射流通过空气时，溶剂蒸发，只剩下干的纤维落在接收器上(即非织造布)。射流溶液黏度低时会破裂成液滴，而高黏度溶液则以纤维射流的形式落在接收器上。静电纺丝的纤维在静电场中充电，而电荷可被操控。当不需要时，电荷可以被暴露在空气中的离子带走(有时则是在接收器上被中和)。如果纤维导电，也可以通过纤维传导调节电荷。
静电纺丝有以下步骤：
——沿同一条直线的射流起始及射流的拉伸；
——当射流沿着螺旋式路径循环时，弯曲失稳增强且射流进一步伸长，这些会使射流变得又长又细；
——射流凝固成静电纺纤维。
1.2 聚合物和溶剂的要求
溶剂应可溶解聚合物以形成具有一定含量和黏度的溶液；其次，溶剂需易挥发，以便在纳米纤维落在接收器上之前尽可能地挥发掉，但溶剂若太易挥发，则将导致静电纺丝过程中喷丝头堵塞；而且溶剂(更确切的说是溶液)还需要有能力携带足够的电荷，这可能需要添加盐或表面活性剂。
1.3 静电纺丝参数
静电力和聚合物的黏弹行为影响静电纺丝过程中纳米纤维的生成。工艺参数，如溶液喂料速率(mg/L)、外加电压(kV)、喷嘴-接收器间距(cm)和纺丝环境，以及材料的特性，如溶液含量、黏度、表面张力、电导率和溶剂蒸气压将影响静电纺丝纳米纤维的结构和性能。
下列参数和工艺变量影响静电纺丝加工：
——体系参数，如聚合物的相对分子质量、相对分子质量分布和分子结构(支链、线性的等)和溶液参数(黏度、导电性和表面张力)。
人体束缚
——工艺参数，例如电势、流速、毛细管和接收器间距、环境参数(温度、湿度和空气速度)及接收器的运动状况。溶液参数，例如溶液黏度、电导率(聚合物、溶剂和溶液)、溶液温度、溶液中添加的盐、溶液蒸气压和环境参数，如环境温度、环境湿度等同样影响静电纺丝纤维。外加电压是这些参数中最重要的，因为它决定了静电相互作用力的程度，而静电力是聚合物射流喷出的原因。
2.1 外加电压
静电纺丝中，由外加电压引起的电荷转移主要是由于聚合物射流向接收器流动产生的，电流的增大或减小归因于从喷嘴喷射出的聚合物流量。外加电压的增大将引起射流起始点形状、纤维结构和形态的改变，这是由于更多的流体从针尖喷出而导致沉积速率增加。串珠形流体的出现与流体急剧增加相关，流体量是静电纺丝中控制串珠形成的关键。热泵压缩机
2.2 喷嘴与接收器间距
静电纺丝纤维的结构和形态易受喷嘴与收集器间距的影响。因为纤维结构和形态依赖于沉积时间、蒸发速率和摆动间隔(不稳间隔)。无论溶液含量高低，接收距离过短都会产生湿纤维和串珠结构。
2.3 聚合物流动速率
注射器中聚合物流速是一个重要的加工参数，它影响射流速度和物质传输速率。聚合物流动速率增加，纤维直径和孔洞直径也会相应增大，纤维将有明显的串珠结构，平均孔径大小也将增加。
2.4 纺丝环境
喷丝头周围的环境条件，如周围空气、空气的相对湿度、真空条件、气氛等都会影响静电纺丝纤维的结构和形貌。较高的相对湿度下纤维将干得不彻底，并且会在接收器表面缠结。气氛的击穿电压也会影响纤维存储电荷的能力。
3.1 溶液含量
溶液含量是影响纤维尺寸的一个重要参数。根据幂律关系，纤维直径随溶液含量的增加而增加。较高的溶液含量会导致纤维尺寸出现双峰分布，这不禁让人联想到电喷雾质谱中也有相似的微珠分布生成。
3.2 溶液电导率
除了少数绝缘材料，聚合物大多是导电的，而且聚合物溶液中的带电粒子在射流形成过程中易被影响。离子增加了射流的电荷负载能力，因此外加电场下喷射力更强，溶液导电性增加，就可以获得更细的纤维射流。
3.3 溶剂挥发性
由于静电纺丝涉及到溶剂快速挥发和由射流细化导致的相分离，溶剂的蒸气压将决定挥发速率及干燥时间。溶剂挥发在相分离过程中对纳米结构的形成起到决定性作用。在高溶剂挥发速率下微米结构和纳米结构形貌，以及低溶剂挥发速率下的微观结构显示溶剂挥发对纤维形貌十分重要。
涉及纤维素静电纺丝的难题主要归咎于纤维素是一种不易与常规溶剂相容的材料，而且很
难通过静电纺丝制备出一种非衍生纤维素纤维膜，因为极强的氢键网络提高了纤维素的结晶度，导致其不能被普通的溶剂溶解。
因此，选择适当的溶剂是纤维素能否静电纺丝的关键。一些研究表明，可使用如氯化锂(LiCl)/N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基-吗啉氧化物(NMMO)/水、氢氧化钠/尿素并加入少量多元醇黏合剂、三氟乙酸、离子液体等溶剂。LiCl/DMAc溶剂系统可溶解不同来源的、含量范围很大的纤维素而没有其他副反应，但溶液制备需要一个冗长、复杂的溶胀和调节步骤。和其他盐类不同，氯化锂可连接DMAc和纤维素形成静电相互作用。在LiCl/DMAc中溶解时，纤维素与水形成离子络合物。
