靜電紡絲
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2019-01-30
靜電紡絲的實例教程
靜電紡絲技術不僅操作簡單，而且對纖維的直徑、形態和性質的控制效果好。但是，簡單的單軸靜電紡絲在構建特定結構方面存在局限性，并且難以在低分子量或無糾纏的聚合物溶液中形成纖維。然而，目前很少有研究通過不同噴嘴結構的靜電紡絲來構建獨特的結構，從而提高復合材料的導熱性能。靜電紡絲技術因其在構建連續納米纖維方面的獨特優勢而受到廣泛關注。
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成果掠影
近期，桂林理工大學陸紹榮教授和中科院寧波材料與工程技術研究所虞錦洪研究員近期在開發高熱導率的熱管理材料取得新進展。
提出采用單軸靜電紡絲和同軸靜電紡絲的方法，制備了不同微觀形貌的單軸聚乙烯醇/納米金剛石片(U-PVA/ND)和同軸聚乙烯醇/納米金剛石片(C-PVA/ND)復合纖維薄膜。這兩種方法都不需要復雜的預處理程序和引入多余的添加劑。結果表明，ND含量為60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND復合纖維的導熱系數分別為71.3和85.3 W/(mK)，分別是純PVA纖維膜的171.2和205.1倍。此外，C-PVA/ND復合纖維膜的最高熱分解溫度和體積電阻率分別為364.3℃和2.29 × 1015 Ω·cm，表明復合纖維膜具有良好的熱穩定性和電絕緣性。實驗結果為靜電紡絲技術制備高導熱復合材料提供了有力的證據。因此，導熱薄膜可以作為電子元件的外層，加速其散熱，延長其使用壽命。
展開 加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉電極上會形成多個泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進行。具有CDP納米顆粒的纖維會大面積地沉積到收集電極上。
圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。該圖顯示了靜電紡絲磷酸二氫銫（CDP）-聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-聚苯胺（PANI）纖維，在纖維內和表面有CDP顆粒。a.
展開 靜電霧化與靜電紡絲的最大區別在于二者采用的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E4%BB%8B%E8%B4%A8" rel="noopener noreferrer" target="_blank">工作介質</a>不同，靜電霧化采用的是低<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%B2%98%E5%BA%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">粘度</a>的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E6%B5%81%E4%BD%93" rel="noopener noreferrer" target="_blank">牛頓流體</a>，而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣，靜電霧化技術的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據和基礎。對靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學、電流體力學、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B5%81%E5%8F%98%E5%AD%A6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">流變學</a>、空氣動力學等領域。20世紀30年代到80年代期間，靜電紡絲技術發展較為緩慢，科研人員大多集中在靜電紡絲裝置的研究上，發布了一系列的專利，但是尚未引起廣泛的關注。進入90年代，Reneker研究小組對靜電紡絲工藝和應用展開了深入和廣泛的研究。特別是近年來，隨著納米技術的發展，靜電紡絲技術獲得了快速發展，世界各國的科研界和工業界都對此技術表現出了極大的興趣。
展開 并且，有大量研究通過調整紡絲溶液或者后處理方法制備超疏水納米纖維復合膜，從而進一步提高膜材料在膜蒸餾過程中的穩定性。另外，該綜述還討論了改性納米纖維膜對重金屬的吸附回收及其殺菌作用。
【總結與展望】
本文總結了納米纖維膜在膜法水處理方向的最新研究進展,包括納米纖維膜制備的主要影響因素、納米纖維膜的后處理改性方法以及納米纖維膜在膜法水處理方面的應用及其存在的問題。雖然納米纖維膜針對水處理過程的研發工作已經取得了令人矚目的進展，但仍然具有廣闊的進步空間。作者提出了靜電紡絲納米纖維膜仍需改善的幾個方面：（1）超細納米纖維的制備。靜電紡絲所制備的納米纖維尺寸通常在100納米至1微米之間。而由這些尺寸的納米纖維重疊覆蓋而成的納米纖維膜孔徑通常在微濾范圍內。為了進一步縮小膜孔徑、提高納米纖維膜的截留效果、有效支撐復合膜皮層，有必要研究如何通過靜電紡絲得到直徑低于100納米的超細纖維。（2）增強復合膜皮層與納米纖維膜基體的結合力。由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高表面孔隙率，納米纖維基體與表面皮層的結合作用及其在長期使用過程中的穩定性還需進一步研究及優化。（3）納米纖維膜的膜污染問題。同樣由于納米纖維膜的高表面粗糙度及高孔隙率，污染物容易停留在納米纖維膜的表面及內部，難以清洗。如何通過選擇基體材料、調整膜孔徑、及有效的后處理方法減輕膜污染仍需更深入的系統研究。（4）靜電紡絲可用于制備得到多種功能化納米結構，例如中空納米纖維、取向納米纖維等。而如何在工業上大規模生產這些功能納米纖維尚需從業人員的努力。
本稿由南洋理工大學王蓉教授研究團隊撰寫。
展開 掃描電鏡mapping圖在不同靜電紡絲纖維結構以及纖維直徑觀察的應用實例
CEM3000系列臺式掃描電鏡
掃描電鏡mapping圖以其直觀、準確的元素分布分析能力，在靜電紡絲纖維結構觀察以及眾多其他領域的研究中展現出了很大的優勢。隨著科技的不斷進步，掃描電鏡技術也在持續發展。未來，掃描電鏡有望在分辨率、分析速度和多功能集成等方面取得更大突破。更高的分辨率將使我們能夠觀察到更細微的纖維結構和元素分布細節；更快的分析速度將大大提高研究效率；而多功能集成則可能將掃描電鏡與其他分析技術相結合，為我們提供更全面、深入的材料微觀信息。這不僅將進一步推動科學研究的發展，也將為材料研發、生物醫學、環境保護等眾多領域帶來更多的創新機遇和便利，幫助我們更好地理解微觀世界，解決實際問題。
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為了解決這些問題，我們開發了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網結構和Janus潤濕結構，采用液體輔助超聲改性，高壓靜電紡絲和壓后處理相結合。具體來說，織物的外層(mE)由親水性聚乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)與改性BNNS (mBNNS)共混而成，而織物的內層(mP)由疏水性聚氨酯(PU)與mBNNS共混而成。
采用靜電紡絲法制備柔性多孔TPU/PDMS織物作為彈性基體，在雙軸預拉伸的狀態下通過噴涂將AgNW和MXene依次沉積在織物一側，由于彈性TPU/PDMS基底與AgNW/MXene導電層之間的模量不匹配，在緩慢釋放預應變后會形成塊狀堆疊的褶皺狀導電網絡。
靜電紡絲作為最先進的微/納米纖維制造方法，可以很容易地合成連續纖維膜，纖維直徑變小，孔隙率增加，孔隙結構可調節，在高性能保溫材料的制造中有前景。然而，目前的靜電紡絲纖維仍然存在一些關鍵的限制，包括孔徑不夠小(通常>2μm)、孔隙度不夠等因素極大地限制了材料的使用。因此，創造一種可行的和通用的策略來開發既有效的空氣絕緣又具有動態耐磨性的保溫材料面臨巨大的挑戰。
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作者信息
陳蘇教授團隊一直致力于微尺度下材料的精準設計、性能調控研究, 探索材料結構與功能間的映射關系，發展了一系列以微流控技術為代表的納微纖維新材料的設計與制備方法，如微流控紡絲技術、微流控靜電紡絲技術、微流控氣噴紡絲技術和微流控靜電3D打印技術。
5.1.2 紡絲法
紡絲法包括靜電紡絲、熔融紡絲、凝膠紡絲，濕法及干法紡絲等工藝，靜電紡絲因為相對小的批次性能變化、易于控制等優勢應用最廣。高壓電場引發的定向拉伸及剪切效應誘導分子鏈取向，減少了纖維直徑和提高晶體取向，極大改善了纖維的導熱。
在過去的十年中，基于氫鍵相互作用形成一層又一層致密結構的各種組裝方法被開發出來，如靜電紡絲、濕紡、鑄造、噴涂、葉片和棒材涂層。例如，在聚四氟乙烯磁盤中通過溫和蒸發工藝制備的氧化石墨烯薄膜，其k為1100 W/mk，具有20 dB的優異EMI屏蔽性能。在圖2(a-e)中，Xin等報道了用連續卷對卷方法電噴涂沉積氧化石墨烯薄膜，在2200℃退火后，薄膜的κ達到~1200 W/mk。
目前，靜電紡絲、熔融紡絲和微流控紡絲是制備相變納米纖維最常用的技術。
靜電紡絲是一種利用靜電力拉伸超細纖維的技術。這樣，芯鞘相變納米纖維可以通過同軸靜電紡絲技術來實現。例如，Xia小組在2006年首次通過熔融同軸靜電紡絲方法報道了具有核心-鞘結構的octadecane@TiO2-聚乙烯吡羅烷酮(PVP)相變納米纖維。
目前，靜電紡絲、熔融紡絲和微流控紡絲是制備相變納米纖維最常用的技術。
靜電紡絲是一種利用靜電力拉伸超細纖維的技術。這樣，芯鞘相變納米纖維可以通過同軸靜電紡絲技術來實現。例如，Xia小組在2006年首次通過熔融同軸靜電紡絲方法報道了具有核心-鞘結構的octadecane@TiO2-聚乙烯吡羅烷酮(PVP)相變納米纖維。
在上述分析的基礎上，通過靜電紡絲合成了厚度為~260 μm的分層POM納米纖維紡織品(圖2c)，表面粗糙度如圖2d所示，這種粗糙的表面是由于溶劑的高揮發性而形成的(六氟-2-丙醇)在靜電紡絲工藝中的應用。這些POM納米纖維的直徑尺寸分布接近0.3 ~ 1.0 μm的太陽主波段(圖2e)，遠離MIR波段，有利于高太陽反射率和低MIR反射率。
