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静电纺丝原理及电纺纤维毡应用 张传文朱锐钿严玉蓉’赵耀明 华南理工大学材料学院，广州，510640 edu．cn) (+通讯联系人：yryan@scut 摘要：静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最简单直接的方法，也是唯一能进行纳 米纤维工业化生产的成型疗法，崩外已对该技术进行了近30年的产业化ur行性 和产品应用研究。本文就静屯纺蛙基本原理以及电纺纤维在商散过滤、生物医药、 高性能防护服等领域的应用简单介绍，以达到抛砖引玉的作用，可为高性能非织 造材料及复台材料的研究和丌发提供借鉴思路。 关键词：电纺，纳米纤维，高效过滤，生物工程，肪护服 l、纳米纤维概述 纳米纤维是指纤维直径处于纳米尺度范围内的超细纤维，严格意义L的纳米 尺度是指0．1nm到IOOnm的尺寸范围，而纳米纤维的直径分布可以从几十纳米到 几百纳米之间。纳米纤维与其他纤维相比，其突出特性如太的比表面秘、力学性 能优良、小尺寸效应、界面效麻及容易成型异种形态等。这些优异的特性使纳米 纤维具有许多熏要的用途，从而吸引人们对其在过滤、分离膜、生物工程支架、 人造器官、防护服、高教催化、药物缓释等众多领域的应用结构设计和性能控制 进行探索研究，大力开发高性能、I断功能产品及致力于将其产业化推广应用“’。 2、静电纺丝法 静电纺缱浊自204睨20年代已经有相关的专利报道，经过几十年的发展， 特别是近_二十年的发展，静电纺丝法已经成为伟4备纳米纤维龉具潜力的方法。相 对于其它微／纳米纤维的成型方式而言，静电纺丝成型纳米纤维可选原料范嗣广， 至今为此，已经JI卜百种高分子聚合物及无机物可采用静电纺丝的方法成功纺符} 微／纳米纤维。其纤维直径可以通世原液性质、成型加工一艺条件加以控制，实 现制备纤维卣行为10nra、2000nm纤维及纤维毡的日的“…。电纺纤维毡形貌如图l 所示。 蝌1lb纺聚乳酸纤维 2．1静电纺丝技术 静电纺丝法因其能够直接、连续制备聚合物纳米纤维而成为研究的热点。早 在20世纪30年代Formalas…己申请静电纺的专利，但是对静电纺丝的大量实验 工作和椿入理论研究，却是近十年来随着纳米科技研究的迅速升溢，才取得快速 发展的。 2．2静电纺丝原理 所州静电纺丝是指通过对聚介物溶液(或瑞体)施加外加电场来制造聚合物 纤维的纺丝技术。其原理与传统的机械力纺丝成型方法有很大的币同。静电纺丝 装置如图2所示，它是先对聚合物溶液或熔体施加上几千至上万伏高压电场，使 聚合物溶液或熔体带有相同的电荷，高压电场所产生的电场力与液体的表面张力 方向相反。当带电的聚合物液滴所受电场力足以克服聚合物溶液或熔体自身表面 张力便形成喷射细流，细流在喷射过程中随着溶剂的蒸发和电场力的牵拉作用， 以及本身所带同种电荷的相互排斥而劈裂，细流在固化的过程中直径降低，悬终 形成类似纤维毡状结构落在接收装置上“1。陵过程如图3所示，整个过程可以被 分为三个阶段“1： 凹2静电纺丝装置酗 (1)喷射流的产生和延伸：喷丝头中的液滴受到电场的作用，表面电荷不 断积累，当电场力等于液滴表面张力时．形成Taylor锥．随着电压的增大，电 场力将大于液滴的表面张力．从而产生喷射流。 (2)鞭动不稳定性的形成和喷射流的进一步拉伸：喷射流在向接收装置运 动的过程中．由于喷射流离开喷丝头的泰勒锥液滴后发生了流体力学松弛作用， 开始产生弯曲，导致喷射流横截面上的电荷不再呈现均匀分布，电荷的相互作用 使得喷射流不稳定。径向的电荷排斥引起纤维束的劈裂，重复多次以后导致纤维 柬的细化。 (3)喷射流固化形成纳米纤维：带电聚合物喷射流经过一个1；稳定和拉长 过程，同时溶剂挥发使纤维固化，形成类似非织造布的纤维毡。 秽．一心：“ 兰L_窿5 倒3静电纺丝基本原理过程 3、静电纺丝的应用 由于采用静电纺丝方法制各纳米纤维简便易行、成本低廉、而且所用原料范 围广泛，在适宜的条件F，可以将多种聚合物纺成纳米级别的超细纤维，并且可 以在～定范围内控制纤维的直径，取向以