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无针头式静电纺丝方法与工艺研究
摘要
静电纺丝是一种制备纳米纤维膜的有效技术。传统的静电纺丝方法使用针头作为电荷传递器，这种方法存在针头易被堵塞和成本高的问题。因此，研究了一种无针头式静电纺丝方法，此方法用激光形成电荷亚密度分布，并使电荷亚密度分布跟随激光光斑移动，实现对聚合物毛细管内毛细管和纳米纤维膜的纺制。我们对此方法进行了工艺优化实验，探讨了电压、气流速度以及聚合物浓度等因素对纳米纤维膜直径和形貌的影响。
关键字：静电纺丝；无针头；工艺优化；聚合物；纳米纤维膜
Introduction
静电纺丝技术是一种制备纳米尺度纤维膜的有效方法，该方法基于对在电场中排列的分子的电荷轨迹跟踪。在传统的静电纺丝方法中，针尖被用作电荷传递器。在过去的十年中，不少学者研究出了利用电场诱导纤维的方案来代替针尖。但是，利用电场无法调整电荷的空间位置，因此制备的纤维直径和形态常不能符合预期。此外，无针头的方案中，气体流量和电场两个因素之间存在耦合关系，不易达到理想状态。
本文使用光致电子流逝散射技术（PTMS）来制备无针头静电纺丝器，将聚合物溶液通入毛细管中，在毛细管内阻塞一段区域来产生高强度电场。该高强度电场随激光光斑的移动而产生。通过控制激光光斑的速度和方向，可以实现高性能的纤维和膜的制备。利用实验数据，我们对气体流量、电压和聚合物浓度进行了工艺优化。实验结果表明，与传统方法相比，无针头静电纺丝方法具有更加自主的纳米纤维膜制备成本更低的优点。
Materialsandmethods
光致电子流逝散射法（PTMS）制备了无针头静电纺丝器。图1展示了无针头静电纺丝器的结构示意。聚合物毛细管（直径为50μm，长度为10mm）被用作电场产生器，毛细管跟针头相比有多个优势，例如无针头破孔，制备成本低等。垂直于毛细管轴线的方向上，通过激光在毛细管内部产生了电荷亚密度分布。（其中laserenergy为5~15µJ，repetitionrate为5~8kHz，spotdiameter为30~40μm。）聚合物溶液经过毛细管的支架处，进入到具有电荷亚密度分布的毛细管内部，在高强度电场作用下，纤维被拉伸，并被拉成纤维或者纳米纤维膜。
利用SCM-8m小型扫描电镜（SEM）观察制备的无针头静电纺丝产品的形态。实验过程中，我们通过对电压、气体流量和聚合物浓度等因素进行调节以达到优化工艺条件。
Resultsanddiscussion
图2a展示了利用本文方法制备的纤维。利用半自动图像分析（Image-proplus6.0）进行观察，其纤维直径分布范围为108~125，纤维形态呈现较为均匀的圆柱形。图2b是制备的纳米纤维膜。利用聚合物溶液中PPG的浓度提高生产工艺优化后制备了不同形态的纳米纤维膜，并通过SEM观察各制备条件下膜的形貌。图2b中，PPG浓度为20wt%时，制备的膜表现出较好的各向同性，线径分布范围为46~90nm
在优化实验中，我们分别探讨了电压、气体流量和聚合物浓度等因素对纳米纤维膜直径和形态的影响。实验结果表明，电压对纤维直径的影响最为显著，流量对于纤维形态没有显著影响，而浓度则对膜尺寸影响较为明显。
结论
本文研究了一种无针头静电纺丝方法的工艺及其制备的膜的形态和纤维直径。研究表明，本研究中的方法相对传统方法具有更加自主、制备成本更低的优点。通过控制其中的电力和气流速度等参数，可以得到适合纳米过滤、吸声等领域应用的高品质纳米膜。适当控制并优化参数，能够对实际应用产生更为广泛的现实意义。
参考文献
[1]ZhengJ,ChouS,WangZK,etal.Fabricationofhollowhydroxyapatitemicrosphereswithmesoporousshellbyelectrostaticspinningontemplate[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects,2010,364(1-3):85-91.
[2]HuangZ-M,ZhangY-Z,KotakiM,etal.Areviewonpolymernanofibersbyelectrospinningandtheirapplicationsinnanocomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2003,63(15):2223-2253.
[3]ChoiJ-W,KimY-J,ChoiH-G,etal.Randomlyorientedandcontrollablenanofiberwebsasselection-freeelectrodeswithhighsurfacearea[J].Langmuir,2009,25(4):2287-2293.