靜電紡絲

靜電紡絲起源

“靜電紡絲”一詞來源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，國內(nèi)一般簡稱為“靜電紡”、“電紡”等。1934年，F(xiàn)ormalas發(fā)明了用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利，其專利公布了聚合物溶液如何在電極間形成射流，這是首次詳細描述利用高壓靜電來制備纖維裝置的專利，被公認為是靜電紡絲技術(shù)制備纖維的開端。但是，從科學(xué)基礎(chǔ)來看，這一發(fā)明可視為靜電霧化或電噴的一種特例，其概念可以追溯到1745年。靜電霧化與靜電紡絲的最大區(qū)別在于二者采用的工作介質(zhì)不同，靜電霧化采用的是低粘度的牛頓流體，而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣，靜電霧化技術(shù)的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。對靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學(xué)、電流體力學(xué)、流變學(xué)、空氣動力學(xué)等領(lǐng)域。

20世紀30年代到80年代期間，靜電紡絲技術(shù)發(fā)展較為緩慢，科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上，發(fā)布了一系列的專利，但是尚未引起廣泛的關(guān)注。進入90年代，美國阿克隆大學(xué)Reneker研究小組對靜電紡絲工藝和應(yīng)用展開了深入和廣泛的研究。特別是近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展，世界各國的科研界和工業(yè)界都對此技術(shù)表現(xiàn)出了極大的興趣。此段時期，靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段主要研究不同聚合物的可紡性和紡絲過程中工藝參數(shù)對纖維直徑及性能的影響以及工藝參數(shù)的優(yōu)化等；第二階段主要研究靜電紡納米纖維成分的多樣化及結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控；第三個階段主要研究靜電紡纖維在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用；第四階段主要研究靜電紡纖維的批量化制造問題。上述四個階段相互交融，并沒有明顯的界線。

靜電紡絲現(xiàn)狀

通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近十幾年來世界材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最重要的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動之一。靜電紡絲并以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類繁多、工藝可控等優(yōu)點，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)制備了種類豐富的納米纖維，包括有機、有機/無機復(fù)合和無機納米纖維。然而，利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維還面臨一些需要解決的問題。首先，在制備有機納米纖維方面，用于靜電紡絲的天然高分子品種還十分有限，對所得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的研究不夠完善，最終產(chǎn)品的應(yīng)用大都只處于實驗階段，尤其是這些產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還存在較大的問題。其次，靜電紡有機/無機復(fù)合納米纖維的性能不僅與納米粒子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與納米粒子的聚集方式和協(xié)同性能、聚合物基體的結(jié)構(gòu)性能、粒子與基體的界面結(jié)構(gòu)性能及加工復(fù)合工藝等有關(guān)。如何制備出適合需要的、高性能、多功能的復(fù)合納米纖維是研究的關(guān)鍵。此外，靜電紡無機納米纖維的研究基本處于起始階段，無機納米纖維在高溫過濾、高效催化、生物組織工程、光電器件、航天器材等多個領(lǐng)域具有潛在的用途，但是，靜電紡無機納米纖維較大的脆性限制了其應(yīng)用性能和范圍，因此，開發(fā)具有柔韌性、連續(xù)性的無機纖維是一個重要的課題。

靜電紡絲應(yīng)用

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲作為一種簡便有效的可生產(chǎn)納米纖維的新型加工技術(shù)，將在生物醫(yī)用材料、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

①在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米纖維的直徑小于細胞，可以模擬天然的細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物功能；人的大多數(shù)組織、器官在形式和結(jié)構(gòu)上與納米纖維類似，這為納米纖維用于組織和器官的修復(fù)提供了可能；一些電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作為載體進入人體，并容易被吸收；加之靜電紡納米纖維還有大的比表面積、孔隙率等優(yōu)良特性，因此，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了研究者的持續(xù)關(guān)注，并已在藥物控釋、創(chuàng)傷修復(fù)、生物組織工程等方面得到了很好的應(yīng)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高，因而，降低纖維直徑成為提高纖維濾材過濾性能的一種有效方法。靜電紡纖維除直徑小之外，還具有孔徑小、孔隙率高、纖維均一性好等優(yōu)點，使其在氣體過濾、液體過濾及個體防護等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

③靜電紡纖維能夠有效調(diào)控纖維的精細結(jié)構(gòu)，結(jié)合低表面能的物質(zhì)，可獲得具有超疏水性能的材料，并有望應(yīng)用于船舶的外殼、輸油管道的內(nèi)壁、高層玻璃、汽車玻璃等。但是靜電紡纖維材料若要實現(xiàn)在上述自清潔領(lǐng)域的應(yīng)用，必須提高其強力、耐磨性以及纖維膜材料與基體材料的結(jié)合牢度等。

④具有納米結(jié)構(gòu)的催化劑顆粒容易團聚，從而影響其分散性和利用率，因此靜電紡纖維材料可作為模板而起到均勻分散作用，同時也可發(fā)揮聚合物載體的柔韌性和易操作性，還可以利用催化材料和聚合物微納米尺寸的表面復(fù)合產(chǎn)生較強的協(xié)同效應(yīng)，提高催化效能。

⑤靜電紡納米纖維具有較高的比表面積和孔隙率，可增大傳感材料與被檢測物的作用區(qū)域，有望大幅度提高傳感器性能。此外，靜電紡納米纖維還可用于能源、光電、食品工程等領(lǐng)域。

靜電紡絲發(fā)展方向

靜電紡絲技術(shù)在構(gòu)筑一維納米結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域已發(fā)揮了非常重要的作用，應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成功的制備出了結(jié)構(gòu)多樣的納米纖維材料。通過不同的制備方法，如改變噴頭結(jié)構(gòu)、控制實驗條件等，可以獲得實心、空心、核-殼結(jié)構(gòu)的超細纖維或是蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二維纖維膜；通過設(shè)計不同的收集裝置，可以獲得單根纖維、纖維束、高度取向纖維或無規(guī)取向纖維膜等。但是靜電紡絲技術(shù)在纖維結(jié)構(gòu)調(diào)控方面還面臨一些挑戰(zhàn)：首先，要想實現(xiàn)靜電紡纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，就必須獲得類似于短纖或者連續(xù)的納米纖維束，取向纖維的制備為解決該問題提供了一條有效的途徑，但是距離目標還有不少差距，今后的工作就要設(shè)法通過改良噴頭、接收裝置以及添加輔助電極等使纖維盡可能伸直并取向排列，獲得綜合性能優(yōu)異的取向纖維陣列。其次，作為靜電紡納米纖維全新的研究領(lǐng)域—納米蛛網(wǎng)的研究還在初期階段，納米蛛網(wǎng)的形成過程的理論分析和模型建立尚需深入研究。此外，要想提高靜電紡纖維膜在超精細過濾領(lǐng)域的應(yīng)用性能，就必須降低纖維的直徑，如何將纖維平均直徑降低到20nm以下是靜電紡絲技術(shù)面臨的一個挑戰(zhàn)；要想提高纖維在傳感器、催化等領(lǐng)域的應(yīng)用性能，通過制備具有多孔或中空結(jié)構(gòu)的納米纖維來提高纖維的比表面積是一種有效方法，但仍需進一步的研究。2100433B

1，聚合物的分子量，分子量分布和分子結(jié)構(gòu)（分支，線性等）

2，溶液性質(zhì)（濃度，粘度，電導(dǎo)率，表面張力，液體流量等）

3，電動勢大小

4，毛細管和收集屏幕之間的距離

5，環(huán)境參數(shù)（溫度，濕度和室內(nèi)空氣流速）

6，收集裝置的運動規(guī)律

7，噴絲口針頭形狀

離心式靜電紡絲裝置專利目的

《離心式靜電紡絲裝置》的目的在于提供一種離心式靜電紡絲裝置，以解決靜電紡絲裝置的生產(chǎn)效率低且噴頭易堵塞的問題。

離心式靜電紡絲裝置技術(shù)方案

《離心式靜電紡絲裝置》的離心式靜電紡絲裝置采用以下技術(shù)方案：離心式靜電紡絲裝置，包括機架，所述機架上豎向轉(zhuǎn)動裝配有由金屬網(wǎng)制成的旋轉(zhuǎn)甩筒，所述旋轉(zhuǎn)甩筒的頂部具有一個用于與紡絲液導(dǎo)管導(dǎo)通連接的進料口。

所述旋轉(zhuǎn)甩筒的底部具有一個用于與驅(qū)動裝置傳動連接的轉(zhuǎn)盤，所述的轉(zhuǎn)盤與旋轉(zhuǎn)甩筒的對應(yīng)端密封連接。

所述旋轉(zhuǎn)甩筒導(dǎo)通連接有用于與電源連接的接線端子。

所述的機架上絕緣固定有導(dǎo)體支撐座，所述的轉(zhuǎn)盤遠離所述旋轉(zhuǎn)甩筒的一側(cè)通過傳動軸及對應(yīng)軸承轉(zhuǎn)動裝配于所述的導(dǎo)體支撐座內(nèi)，所述的接線端子與所述導(dǎo)體支撐座導(dǎo)電連接。

所述傳動軸豎向貫穿所述的導(dǎo)體支撐座，傳動軸遠離所述轉(zhuǎn)盤的一端傳動連接有驅(qū)動裝置。

所述驅(qū)動裝置為電機，所述電機與所述的傳動軸通過皮帶傳動連接，電機與傳動軸之間設(shè)置有增速裝置。

所述旋轉(zhuǎn)甩筒內(nèi)沿豎向設(shè)置有至少一層空心的隔離盤，所述隔離盤的內(nèi)孔的周向上具有向上翻折的擋沿，所述擋沿與旋轉(zhuǎn)甩筒的內(nèi)壁面之間形成用于容存紡絲液的容液槽。

所述的旋轉(zhuǎn)甩筒包括至少兩個兩端開口的筒套，所述隔離盤的周向外緣上具有環(huán)形的橋接塊，所述橋接塊的上、下端面上均設(shè)置有用于供所述各筒套的套壁的對應(yīng)端插入的插槽，橋接塊上還設(shè)置有豎向延伸的螺栓連接孔，所述各筒套經(jīng)所述各隔離盤對應(yīng)橋接后通過螺栓固定于所述轉(zhuǎn)盤上。

離心式靜電紡絲裝置改善效果

由于《離心式靜電紡絲裝置》的離心式靜電紡絲裝置采用由金屬網(wǎng)制成的旋轉(zhuǎn)甩筒，因此所述旋轉(zhuǎn)甩筒可同時作為電極及靜電紡絲裝置的噴頭使用，由于所述旋轉(zhuǎn)甩筒由金屬網(wǎng)制成，因此網(wǎng)眼，即相當(dāng)于傳統(tǒng)噴頭的噴絲孔的數(shù)量大大增加，提高了靜電紡絲裝置的工作效率；另外，由于所述旋轉(zhuǎn)甩筒工作時是旋轉(zhuǎn)的，可通過離心力將紡絲液甩出，有效的避免網(wǎng)眼，即傳統(tǒng)噴頭的噴孔的堵塞，進一步提高了靜電紡絲裝置的生產(chǎn)效率；可用于規(guī)模化生產(chǎn)。

更進一步的，在所述的電機與傳動軸之間設(shè)置增速裝置，可在電機轉(zhuǎn)速一定的情況下提高傳動軸，即旋轉(zhuǎn)甩筒的轉(zhuǎn)速，進一步提高工作效率，同時也提高了紡絲質(zhì)量；通過所述隔離盤將所述旋轉(zhuǎn)甩筒分層并形成所述容液槽，可有效的提高旋轉(zhuǎn)甩筒的軸向工作高度，即旋轉(zhuǎn)甩筒壁的工作面積，充分的利用了電機驅(qū)動力資源的同時也進一步提高了生產(chǎn)效率；將所述的旋轉(zhuǎn)甩筒設(shè)置為由所述各套筒通過隔離盤對接而成的分體式結(jié)構(gòu)，可方便的進行拆裝維修及清理，有效的減短了設(shè)備維護時間。

《離心式靜電紡絲裝置》涉及紡織、材料領(lǐng)域，尤其是一種離心式靜電紡絲裝置。

圖1是《離心式靜電紡絲裝置》的離心式靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1在A處的局部放大圖；

圖3是圖2在B處的局部放大圖。