熔体微分静电纺丝纳米纤维高效绿色制备技术

纳米纤维在生物医疗、高效过滤及生化防护等领域有着广泛的应用前景。静电纺丝被学术界及工业界认为是最具产业化制备纳米纤维的前景技术之一,其中熔体静电纺丝无需使用溶剂,相比溶液静电纺丝,避免了有毒溶剂残留、回收及处理等问题,是聚合物纳米纤维绿色制造的发展方向。然而,受到装备复杂、工艺滞后的影响,熔体静电纺丝始终未能突破纤维细化难、制备效率低的瓶颈。为此,团队创新提出了熔体微分静电纺丝新方法,经过十余年探索,围绕其工艺、装备、材料及应用等进行了系统的研究,率先实现了500 nm范围内熔体电纺纳米纤维的工业化制备,并建立了世界上第一套熔体微分静电纺丝纳米纤维工业化生产线。本文将从熔体微分静电纺丝的机理、关键技术、纳米纤维批量绿色制造及应用三个方面介绍熔体微分静电纺丝的研究成果及最新进展。     

直线式双组分熔体微分电纺“月牙状”聚丙烯纤维制备

搭建直线式熔体微分电纺设备,制备了聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）双组分纤维,将所制样品放入丙酮水溶液中作浸泡处理,溶解PLA组分获得PP单组分异形纤维;然后对PLA添加增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）进行降黏处理,以达到改变PLA熔体流动速率（MFRs）的目的,探究不同MFRs差异所产生的不同包裹现象。研究结果表明,两种组分的MFRs差异对双组分纤维的包裹现象产生显著影响,且通过实验可知,当ATBC质量分数为6%的PLA与PP共纺时,可得到形貌最佳的PP组分异形纤维。     

熔体静电纺丝技术研究进展

熔体静电纺丝技术作为一种不使用溶剂的超细纤维绿色制备工艺，在高性能无纺布、生物医药和高效过滤等方面有着广泛的应用。本文简单回顾了熔体静电纺丝研究历史，阐述了熔体静电纺丝工艺特点，综述了近年来熔体静电纺丝工艺、材料、装置及应用新进展，介绍了笔者团队熔体微分静电纺丝技术，并在最后提出几点对未来熔体静电纺丝研究重点的看法。通过本文，以期增进对超细纤维绿色制造新理论、新方法和新装备的认识。     

熔体静电纺丝中电极材质和形状对电场和纤维的影响

电场强度大小及分布对静电纺丝工艺的成纤形貌和接收面积具有重要影响。采用COMSOL Multiphysics分析软件建立电场分析的有限元模型,分别研究了熔体静电纺丝工艺中接收电极材质和形状对电场分布的影响,结果表明塑料在一定程度上削弱了电场强度,但是增加了电场的均匀度。通过扫描电子显微镜观测了接收电极材质和形状对纤维直径和形貌的影响,发现在不同的接收电极形状中,中空电极内环边缘电荷聚集,纤维摆动路径延长,获得较多的羊毛圈状纤维;对于方格状电极板,由于大方格的孔隙较大,削弱了电场,纤维直径较粗,中方格尺寸相对适中,可能对电场有一定的均化作用,因此降落到中方格电极板上的纤维沉积面积最大。     

熔体微分静电纺丝聚丙烯纤维的吸油性能研究

利用自制熔体微分静电纺丝装置制备不同纺丝温度条件的聚丙烯纤维。获得纤维的平均直径为810 nm,单个喷头产量达13 g/h;电纺纤维接触角分布在140°~150°,对比数据发现接触角与纤维直径无明显关系;聚丙烯纤维棉相对机油的最大初始吸油率、吸油倍率和保油率分别为235、158和62 g/g。初步探究吸油机理表明,吸油倍率随纤维直径的减小、孔隙率的增加、油品黏度的增加有增大的趋势,纤维样本重复吸/放油7次后,其吸油倍率为原来的59%~78%。     

溅射式规模化静电纺丝法的工艺参数优化

利用正交试验设计方法,探究了溅射式规模化静电纺丝装置的工艺参数(聚氧化乙烯(PEO)质量分数、接收距离、电压)对所纺纳米纤维直径的影响.根据试验结果,得到对纤维直径影响的显著性程度由大到小分别为PEO质量分数、PEO质量分数与电压的交互作用、PEO质量分数与接收距离的交互作用、接收距离与电压的交互作用、接收距离和电压,对该装置的应用具有实际的指导意义.     

内外双层锥面熔体微分静电纺丝实验研究

为了进一步提高单喷头纤维的产量,在熔体微分静电纺丝的基础上,设计开发了一种结合内外锥面的双层熔体微分静电纺丝装置。通过COMSOL Multiphysics数值仿真软件对其电场进行对比分析,得出增加的内层锥面对外层电场有一定的削弱作用。通过实验分析了内层锥面伸出距离对内外层射流的影响,找到了最佳参数,并且在此参数下,验证了不同电压下的纺丝效果,结果表明,随着电压的增加,内外层锥面电场增加程度相同,内外层纤维直径达到了均匀分布。最后分别采用吹风和吸风辅助对纤维进行了细化,为静电纺丝法制备超细纤维的产业化提供参考。     

聚醚砜电纺纳米纤维结构与形态的研究

利用静电纺丝方法制备了聚醚砜(PES)纳米纤维,通过扫描电子显微镜(SEM)对其形态与结构进行了表征.研究了纺丝过程中溶液质量分数对纤维形态结构的影响.结果表明,溶液质量分数在16%-22%时,能够进行静电纺丝,且纤维直径会随质量分数的增加而增加,珠粒结构会随质量分数的增加而减少.     

电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维的制备

通过静电纺丝制备了平均直径为350nm的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维.将PAN纳米纤维分别在250,265和280℃温度下预氧化1h后,将它们在1 000℃下碳化得到碳纳米纤维.通过扫描电镜、红外光谱、差示扫描量热分析和X射线粉末衍射分析对PAN纳米纤维、预氧化后的纳米纤维及碳纳米纤维的形貌、热性能和化学结构进行了表征.结果表明,PAN纤维的最佳预氧化温度为280℃.在该温度预氧化后所得碳纤维的导电性最好,电导率为(13±0.58)S/cm.     

高性能聚合物电纺纳米纤维最新进展

近20年来,静电纺丝技术得到了快速发展和应用; 不同材料的电纺纳米纤维(包括聚合物基、金属基、陶瓷基、碳基及其复合材料等)已在能源、环境、生物医学和国防军工等领域得到了泛应用.通常,静电纺丝技术需将聚合物或聚合物前驱体原料溶解于溶剂中或者加热熔融进行电纺加工.然而,芳杂环高性能聚合物(如聚酰亚胺、芳香聚酰胺、聚苯等)由于其主链上的刚性环状结构,既难溶解于普通有机溶剂,也难加热熔融,没有流动性,故难以通过静电纺技术制备其纳米纤维.为了解决这个难题,研究人员努力探索了许多间接方法和途径来制备电纺高性能聚合物纳米纤维,并取得了突破性进展.如通过电纺前驱体法大规模地制备聚酰亚胺纳米纤维、利用热致重排进行分子转化制备了电纺聚苯并二噁唑纳米纤维、利用模板电纺法制备了聚苯基和聚吡咙基纳米纤维等.该文详细介绍了通过静电纺丝技术制备高性能聚合物纳米纤维的最新进展,具体包括聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯撑苯并二噁唑、芳香聚酰胺、聚苯、聚吡咙等芳杂环聚合物纳米纤维.此外,由于聚丙烯腈是制备碳纤维的重要前驱体,也对电纺聚丙烯腈纳米纤维的制备做了简要介绍.     

电纺聚丙烯腈基活性碳纳米纤维及其亚甲基蓝吸附性能

以聚丙烯腈(PAN)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为原料,通过静电纺丝-CO2活化法制备PAN基活性碳纳米纤维,探讨活化温度对活性碳纳米纤维孔结构及孔径分布的影响,并研究了所制备的PAN基活性碳纳米纤维对亚甲基蓝(MB)的吸附性能.结果表明,随着活化温度的升高,PAN基活性碳纳米纤维的比表面积(SBET)、总孔容(Vtotal)和微孔容(Vmi)均增大,当活化温度达到950℃时,SBET、Vtotal、Vαmi、Vtmi和VDmi分别高达1 484.5 m2·g-1、0.709 cm3·g-1、0.680 cm3·g-1、0.666 cm3·g-1和0.659cm3·g-1;Langmuir模型较Freundlich模型更适合描述所制备的PAN基活性碳纳米纤维对MB的吸附过程,且ACF950在(25±1)℃对MB的饱和吸附量高达270 mg·g-1.     

电纺纤维基材料在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其成本低、理论能量密度高和本征安全等,在储能电站、柔性可穿戴电池等领域极具发展潜质.静电纺丝技术可以实现锌离子电池相关材料在纳微米尺度上的掺杂、复合和结构设计,实现其在宏观性能上提高,抑制/减缓锌离子电池中枝晶生长、结构坍塌和析氢/氧等问题.因此,静电纺丝纤维基材料具有组分可调控性广、柔性自支撑能力强和规模化生产能力好等特点,使其在水系锌离子电池中得到广泛的研究和应用.根据静电纺丝技术特点和水系锌离子电池的储能特性,总结分析了静电纺丝纤维基材料在电极活性材料和电极隔膜中的研究进展,并对静电纺丝技术在水系锌离子电池中存在的问题和发展方向进行评述.     

电纺CoFe2O4纳米纤维及其磁性研究

采用溶胶-凝胶过程和静电纺丝技术,以三氯化铁(FeCl3·6H2O)、醋酸钴(Co(CH3COO)2·4H2O)和聚乙烯醇(PVA)为前驱物,制得PVA/FeCl3/Co(CH3COO)2复合纳米纤维.经高温煅烧,制备了CoFe2O4纳米纤维.利用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、差热-热重(TG-DTA)和X射线衍射(XRD)等分析测试手段对样品进行了表征,并研究了其磁性质.结果表明:静电纺丝技术制备的CoFe2O4纳米纤维为规则的一维结构,直径分布均匀,具有良好的铁磁性.     

熔融电纺直写微纳米纤维直径影响因素分析

以沉积直径均匀的纤维为目标,设计并开展3因素3水平的正交实验,研究直写过程中加载电压、喷头温度、喷头与收集板之间的距离3个因素对纤维直径的影响。实验结果表明,喷头温度对沉积纤维直径的影响最大,随着喷头温度的升高,纤维直径先减小后增大,温度在100 ℃时直径最小;随着喷头加载电压的增大,纤维直径逐渐减小;喷头与收集板的距离对沉积纤维直径影响不显著;当加载电压为23 kV,喷头温度为100 ℃,喷头与收集板的距离为2 mm,收集板的运动速度为36 mm·s-1时,可以制备直径为（23±05）μm且形态规则的三维网格图案。     

抗菌型苯丙氨酸基聚酯脲静电纺复合纳米纤维敷料的制备及性能

采用静电纺丝技术分别制备聚己内酯(PCL)、苯丙氨酸基聚酯脲(PBP)/PCL和PBP/PCL/姜黄素(Cur)纳米纤维膜,通过对比分析PCL、PBP/PCL和PBP/PCL/Cur 3种静电纺纳米纤维膜,探究了PBP/PCL/Cur静电纺纳米纤维膜形貌、纤维直径、力学性能、姜黄素释放行为、抗菌性能、细胞毒性。研究表明：PBP/PCL/Cur静电纺纳米纤维膜呈多孔的三维结构,纤维直径为400 nm左右;能够在72 h内释放姜黄素,姜黄素的累计释放率达85.1%,具有很好的抗菌性能和细胞相容性。因此,PBP/PCL/Cur静电纺纳米纤维可用于感染性伤口的修复。     

电纺煅烧制备TiO_2纳米纤维及其可见光光催化性能

采用静电纺丝-煅烧技术制备了Fe、C、N共掺杂Ti O2纳米纤维,并对其在可见光条件下降解亚甲基蓝模拟染料废水的性能进行了研究.探讨了Fe掺杂量和煅烧温度对Fe/C/N-Ti O2纳米纤维的可见光光催化活性的影响.结果表明,在nFe/nTi为1.5%、煅烧温度为400℃、煅烧时间为1 h的条件下,所制备的Fe/C/N-Ti O2纳米纤维的直径约为(110±50)nm,比表面积达127.48 m2·g-1,Ti O2晶相为锐钛矿相,且Fe、C、N分别以一定的形式掺杂于Ti O2晶格中.同时,在可见光光照2 h下,该纳米纤维对亚甲基蓝的光催化降解率可达98.3%,说明所制备的Fe/C/N-Ti O2纳米纤维具有较高的可见光光催化活性,有望在可见光光降解去除水中有机污染物中获得应用.     

用综合加权评分法优化高铬型钒钛矿电热熔分工艺

以气基竖炉还原得到的金属化率为95%的高铬型钒钛磁铁矿球团为原料,在高频感应炉内进行电热熔分深度还原.设计了三因素三水平正交试验,重点考察熔分温度、熔分时间及二元碱度对熔分效果的影响,并运用综合加权评分法对试验结果进行分析,发现熔分后可获得含钒、铬铁块和高钛渣.适宜的高铬型钒钛磁铁矿电热熔分参数为:二元碱度1.1,熔分温度1 650℃,熔分时间45 min.对熔分综合指标影响大小依次为二元碱度熔分温度熔分时间.另外,分析二元碱度对熔分效果的影响规律及作用机理可知,随碱度增大,铁、钒、铬及钛的收得率呈先上升后下降的趋势,在二元碱度为1.1时,高铬型钒钛矿熔分效果最好.