纳米材料制备之静电纺丝技术的优点

发布日期：2023-08-31 浏览次数：705

静电纺丝法是一种简单且有效制备纳米材料的方法，其装置主要由高压供电系统、推进泵、注射器以及收集器等组成。目前通过静电纺丝法已成功地制备出多种直径低至数十纳米的纳米纤维，包括金属氧化物、有机聚合物、陶瓷材料等。静电纺丝可提供核壳结构、管状结构、多孔结构、空心结构、交联结构和颗粒包裹等特殊形貌的纳米结构。

静电纺丝纳米纤维膜具有低成本、绿色环保、大的比表面积、高的孔隙率、良好的机械强度以及表面功能化等优点，在电子能源、传感器、催化反应、过滤分离、生物医学等领域得到了广泛的应用，但仍面临一些挑战。首先，静电纺丝技术的研究目前主要集中在产品的特性上，通常局限于实验室的小范围研究，大规模生产较为困难。多喷嘴静电纺丝技术虽然可显著地提高生产力，但离商业化应用还有很大距离。其次，实现纳米结构精确控制仍然较为困难，需要对溶液参数、工艺参数和环境参数等进行精细调节。第三，所制备电纺膜的分离选择性能有待提高，目前利用静电纺丝技术结合其他材料（如MOFs）以及同轴静电纺丝等，有望进一步优化材料性能以及拓展材料应用。

静电纺丝原理

静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而导致了射流在电场中的拉伸。



静电纺丝技术是一种简单有效的制备一维纳米材料的方法，可应用于气体吸附、分离、催化剂、电池、生物医药等众多方面。可以通过纺丝纤维结合其他材料（MOFs），同轴静电纺丝等方法提高纳米材料性能。另外，电纺纤维存在内部空间，要将其变成致密无缺陷的膜，还需结合原位光聚合、热压、空隙填充聚合物浸渍、交联、层层组装等方法，使纳米纤维和空隙填充区域形成微相分离结构，增强膜的性能。

日本MECC 静电纺丝设备的特点



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静电纺丝法的主要特点是将各种材料（主要是聚合物）纺成纳米纤维形状，另外还具有纤维形状的控制相对容易的特点。

目前为止实现了用以下材料来进行静电纺丝实验。（见图1）

・工业热塑性聚合物

・可生物降解聚合物

・聚合物混合物

・与无机化合物混合的复合材料



静电纺丝法通常使用材料溶解于溶剂中的溶液作为纺丝材料。

近年来，氧化铝、氧化锆、钛氧化物、锆钛酸铅等陶瓷纳米纤维的纺丝实例频频出现。

静电纺丝系统，如图1所示，由高压电源、聚合物溶液、注射器、喷头和接地收集器组成。聚合物溶液将以恒定的速度从注射器中推出至喷头上。

在喷头上施加20kv至40kv的高压，当电吸引超过聚合物溶液的表面张力时，聚合物溶液喷射器将注向收集器。射流中的溶剂逐渐挥发，当到达收集器时，射流将降低到纳米级。

纺制出的纳米纤维会形成如图2所示的膜。

纤维的取向性取决于收集器。

纳米纤维膜的单位体积的总表面积比微米级纤维膜会大很多。