氣泡靜電紡絲技術(shù)及其機(jī)理研究.pdf

1、靜電紡絲技術(shù)是目前制備超細(xì)纖維和納米纖維最直接也是最基本的方法之一。由靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維由于具有很高的比表面積，獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和孔隙等卓越性能，在紡織服裝、環(huán)境工程、生物科技、醫(yī)療與衛(wèi)生健康、能源貯存、軍事與反恐安全等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文首先回顧了靜電紡絲技術(shù)的歷史、發(fā)展以及研究現(xiàn)狀，總結(jié)了有關(guān)靜電紡絲裝置的種類、主要特點(diǎn)以及目前為提高靜電紡纖維產(chǎn)量的主要改進(jìn)及其作用效果，指出傳統(tǒng)靜電紡絲裝置的效率和

2、產(chǎn)量低下是制約其納米纖維應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題。在深入分析傳統(tǒng)靜電紡絲裝置各部分存在的問題以及可能的解決方案的基礎(chǔ)上，本文首次提出了一種新型靜電紡絲方法--氣泡靜電紡絲方法。
　　 根據(jù)提出的氣泡靜電紡絲方法的主要思想，本文研制了有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，并分析了其主要原理。為了判斷氣泡靜電紡絲方法是否具備提高靜電紡纖維產(chǎn)量的潛力，本文從射流數(shù)量、氣泡(相當(dāng)于泰勒錐)的大小和數(shù)量、納米纖維直徑和纖維產(chǎn)量四個(gè)角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

3、在氣泡靜電紡絲過程中，有無數(shù)根射流飛向接收極板，射流在運(yùn)動(dòng)過程中溶劑揮發(fā)，固化成納米纖維，最終沉積在接收極板上。在實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過調(diào)節(jié)氣壓等參數(shù)的方法在自由液面生成單個(gè)或多個(gè)比較均勻、有規(guī)律的氣泡。以質(zhì)量濃度為12％的聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液進(jìn)行氣泡靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，從獲得的聚丙烯腈納米纖維膜的掃描電子顯微鏡照片來看，纖維平均直徑約為200納米，最小直徑為50納米，說明纖維直徑是在傳統(tǒng)靜電紡纖維直徑范圍內(nèi)。另外，在單氣泡條件下氣泡靜電

4、紡絲產(chǎn)量遠(yuǎn)高于同條件下傳統(tǒng)靜電紡絲的產(chǎn)量。這說明氣泡靜電紡絲方法具備大規(guī)模提高納米纖維產(chǎn)量的潛力。
　　 為了研究氣泡靜電紡絲機(jī)理，本文從理論上分析了氣泡在無電場(chǎng)和有電場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)行為，建立了氣泡的一維定常數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，初步建立了氣泡靜電紡絲的數(shù)學(xué)模型，并深入分析了氣泡靜電紡絲的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和臨界紡絲錐角。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣泡靜電紡絲的臨界半錐角約為23.4°小于傳統(tǒng)靜電紡絲的半錐角(49.3°)。為了觀察氣泡靜電紡絲過程

5、中射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本文利用高速攝影機(jī)對(duì)單氣泡多射流和單氣泡單射流的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了拍攝并發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)靜電紡絲過程中射流沿直線段飛行一小段距離后沿螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)不同，氣泡靜電紡絲的射流軌跡基本上是沿直線軌跡運(yùn)動(dòng)的。并在對(duì)單射流受力分析的基礎(chǔ)上初步研究了射流在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性。
　　 為了研究工藝參數(shù)和溶液性能等對(duì)氣泡靜電紡纖維直徑、產(chǎn)品形貌和產(chǎn)量等的影響，本文首先對(duì)各參數(shù)的影響機(jī)制進(jìn)行了理論分析，提出預(yù)測(cè)模型，然后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

6、證。研究結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)其它條件固定時(shí)，隨著應(yīng)用電壓U增加，氣泡靜電紡絲納米纖維直徑γ隨之增加，二者近似呈線性關(guān)系，即γ∝U。而且隨著應(yīng)用電壓增加，氣泡靜電紡產(chǎn)品中微珠等缺陷的形態(tài)由圓球形向紡錘形轉(zhuǎn)變，數(shù)量逐漸減少，而纖維數(shù)量明顯增加，進(jìn)而纖維產(chǎn)量也明顯增加。另外當(dāng)紡絲距離增加時(shí)，纖維直徑也近似呈線性增加，纖維產(chǎn)量減少。在溶液性能方面，本文重點(diǎn)研究了溶液濃度、表面張力和電導(dǎo)率等對(duì)紡絲效果的影響。理論分析表明，紡絲液濃度對(duì)氣泡靜

7、電紡纖維直徑影響較大，主要表現(xiàn)為隨著濃度C增加，纖維平均直徑γ增加，二者呈標(biāo)度律關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)在本文實(shí)驗(yàn)條件下二者的標(biāo)度律關(guān)系為：γ∝C4.5。接著本文又從理論上推導(dǎo)出紡絲液表面張力Fs對(duì)纖維直徑γ的影響關(guān)系γ=k/√Fe-Fs(其中k為常數(shù)，F(xiàn)e為電場(chǎng)力，二者隨紡絲條件不同而不同)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與該理論關(guān)系式吻合較好。本文還通過在紡絲液中添加無機(jī)鹽氯化鉀的方法研究了溶液電導(dǎo)率對(duì)紡絲效果的影響，發(fā)現(xiàn)隨著紡絲液電導(dǎo)率增加，纖維平均直徑逐

8、漸減少，二者在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)公式為γ∝k-0.43。最后，本文通過在紡絲液中添加陰離子型表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)的方法考察表面張力和電導(dǎo)率同時(shí)對(duì)氣泡靜電紡纖維直徑的影響。SDS的添加使溶液表面張力降低的同時(shí)增加溶液的電導(dǎo)率，經(jīng)過紡絲實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，離子型表面活性劑的添加能有效降低纖維的平均直徑，但是當(dāng)SDS含量到達(dá)一定程度后，纖維平均直徑不再降低。另外，本文還研究了溶液性能對(duì)氣泡靜電紡產(chǎn)品形貌的影響。從不同溶劑的紡絲實(shí)驗(yàn)來看，

9、濃度對(duì)氣泡靜電紡產(chǎn)品中微球或微珠等缺陷的存在起決定性的作用。即使是良溶劑的條件下，較低濃度的溶液紡絲產(chǎn)品中也有微球或微珠等缺陷存在。一般隨著溶液濃度增加，產(chǎn)品中微珠等缺陷逐漸減少并最終消失，另外產(chǎn)品中帶珠纖維隨著溶液電導(dǎo)率升高而減少。
　　 為了探明氣泡靜電紡纖維膜的有關(guān)性能，本文使用了X射線衍射儀、原子力顯微鏡(AFM)和改進(jìn)的光學(xué)顯微鏡等分別對(duì)納米纖維膜的結(jié)晶性能、表面微觀形貌和表面光學(xué)性能等進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣泡靜電紡

10、納米纖維膜的結(jié)晶度高于紡絲前聚合物粉末的結(jié)晶度。而原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，氣泡靜電紡纖維膜存在典型的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在表面光學(xué)性能方面，本文首次發(fā)現(xiàn)，隨著入射光線角度的變化，氣泡靜電紡表面紋路也發(fā)生明顯變化，初步分析其原因可能與靜電紡纖維的雙折射特性有關(guān)。
　　 最后，本文還使用了單接收電極和雙平行接收電極等方法利用氣泡靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置成功制備出具有較高取向排列結(jié)構(gòu)的納米纖維膜和包含TiO2納米顆粒的復(fù)合纖維。
　　 通過本