通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维的研究进展【文献综述】.doc

文献综述 应用化学 通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维的研究进展 摘要 静电纺丝技术是一种新的技术，它可制备出直径为纳米级的纤维。由于本征态导电聚合物的难以加工性，静电纺丝制备导电聚合物的过程与普通聚合物的制备过程有显著的不同。本文综合介绍了静电纺丝制备纳米纤维的研究历史、基本原理及其影响因素。同时，重点介绍了静电纺丝制备导电聚合物纳米纤维的加工过程，并且对相应导电聚合物纤维的应用进行了介绍。 关键词 静电纺丝，纳米纤维，基本原理，影响因素 随着纳米纤维技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸，模板聚合、相分离、自组织和静电纺丝等，而静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。 1 静电纺丝研究历史 静电纺丝可以认为是带电射流电雾化的一种变形［1］，当溶液的黏度较小时，射流在受到电场力的作用后破裂为许多细小的液滴，液滴的直径介于微米和纳米之间，目前电雾化技术主要应用于喷墨打印、喷漆、纳米离子的制备等领域；当液滴的黏度较大时，就会形成纤维。 静电纺丝的研究历史最早要追溯到19世纪末。1882年，Rayleigh认为带电液滴能够稳定的条件是其带电量不能超过某一定值，这一数值称为Rayleigh极限［2］。1915年，Zeleny［3］介绍了调整液体的电荷与表面张力的比例关系，可以使喷嘴尖端的小液柱失稳，进而分裂为离子或雾滴。1964年Taylor以完全导电的液体为例，做出了开拓性的研究工作［4］，他认为液体静电雾化时，喷嘴尖端会形成一锥形液柱，称为泰勒锥(Tayler cone)。此外，静电纺丝技术在1930年就有了专利,是人们早已知晓的一项技术［5］。20世纪90年代以来以美国为中心盛行关于纳米纤维形成机理和应用方面的研究,近年来日本也对其予以极大的关注。近年来人们之所以对静电纺丝感兴趣，主要是因为与传统纺丝方法相比，该方法可以很容易的得到连续的纳米级或微米级纤维，而该纤维在很多领域有着巨大的应用前景［6,7］。 2 静电纺丝基本原理 静电纺丝的基本装置由高压电源、微量泵、注射器、针头、收集装置五部分组成。其原理是对聚合物溶液或熔体施加几千到几万伏高压静电，当聚合物溶液或熔体内的电场力克服其表面张力时，在电场力作用下喷射形成一股稳定的射流，随着射流的牵伸与分裂，最后溶剂挥发或熔体固化后，高聚物纤维沉落在收集板上形成类似无纺布的微纳米纤维材料。 3 静电纺丝影响因素 静电纺丝是制备超细纤维的一种技术，因此在表征静电纺丝产品时，直径是需要考察的最重要的性质，另外还有产品结构和性能。影响纤维直径、结构和性能的因素很多，主要包括纺丝过程因素和纺丝溶液性质，这两方面在纺丝过程中发挥着重要作用。下面就静电纺丝工艺参数对纤维的影响作简要介绍： 3.1 过程因素 静电纺丝过程中，纺丝电压、纺丝距离、纺丝液流量、喷丝头内径、环境参数(温湿度与大气压)等都会对制备的纳米纤维产生直接的影响。比如在静电纺丝过程中，纺丝电压是一个非常重要的参数，它不仅在纺丝区域内形成纺丝电场，而且使纺丝液带电，这样随着电压的增加，纺丝液在喷丝头尖端经历从半球形——泰勒锥——射流的变化过程。随着电压增 大，电场强度增加，纺丝液表面电荷密度增加，射流将会得到更大的静电斥力导致射流更强的分裂和更大的飞行速度，从而产生更高的拉伸比，因此所纺纤维直径降低。 3.2 溶液性质 纺丝液性质包括浓度和黏度、纺丝溶剂、溶液表面张力引、高聚物分子量、添加物等属于溶液参数，其作用不亚于过程参数，将直接决定静电纺丝是否会发生并影响纤维性能。高聚物分子链间的相互纠缠以及分子间的相互作用是形成纤维的必要条件并且影响着纤维的性质。 4 静电纺丝制备方法 通常导电聚合物具有低分子量和刚性结构的特点，会妨碍通过静电纺丝技术制备纤维。因此，需要用各种各样的方法来处理导电聚合体使其能够达到静电纺丝的技术要求，这些方法概括如下： 4.1导电聚合物直接进行静电纺丝制备微纳米纤维 原则上，导电聚合物应该能直接进行静电纺丝，然而，由于导电聚合物的难溶性，只有少数可溶解的导电聚合物可以直接用静电纺丝制备纳米纤维，例如用掺杂硫酸的聚苯胺(PANI) ［8］，掺杂2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPSA) ［9］的聚苯胺化翠绿亚胺(EB)和掺杂十二烷基苯磺酸(DBSA) ［10］的聚吡咯(PPy)。尽管聚（P型苯乙烯）(PPV)是另一种重要的导电聚合物，但它的难溶性使其难以通过静电纺丝制备纳米纤维，但是Okuzaki［11］提出了一个独创的通过静电纺丝制备PPV纳米纤维的方法：首先将可溶解的PPV前躯体（聚对二甲苯四氢噻吩鎓氯化物)通过静电纺丝得到纳米纤维，随后在