靜電紡取向納米纖維制備技術(shù)的研究進(jìn)展

賈 琳，張海霞，王西賢

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007)

靜電紡取向納米纖維制備技術(shù)的研究進(jìn)展

賈 琳，張海霞，王西賢

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007)

傳統(tǒng)的非取向靜電紡納米纖維微觀結(jié)構(gòu)雜亂，力學(xué)性能較差，其應(yīng)用范圍相對(duì)較小；而取向納米纖維具有各向異性的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性能，其力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)電率更高，因此，其應(yīng)用前景更加廣泛。系統(tǒng)介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外制備取向納米纖維的方法與技術(shù)，包括旋轉(zhuǎn)輥軸收集裝置、平行排列的電極裝置、輔助電極裝置和其他一些方法，并深入分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。分析結(jié)果表明，引入輔助電極控制射流的運(yùn)動(dòng)，再利用其他裝置收集納米纖維，是目前靜電紡取向納米纖維制備技術(shù)發(fā)展的方向。

靜電紡絲；取向納米纖維；制備技術(shù)；輔助電極

當(dāng)單纖維線密度達(dá)到0.3 dtex左右時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)微纖效應(yīng)，其在性能和質(zhì)量上出現(xiàn)一個(gè)飛躍[1]。靜電紡納米纖維具有極大的孔隙率和比表面積(比普通的微米纖維高103倍)，在成型的網(wǎng)氈上有很多微孔，具有很強(qiáng)的吸附力以及良好的過(guò)濾性、阻隔性、黏合性和保溫性[2-3]，因此，靜電紡納米纖維在過(guò)濾材料、藥物控釋、防護(hù)服、組織工程、復(fù)合材料等方面都有非常廣泛的應(yīng)用。然而，非取向排列的靜電紡納米纖維微觀結(jié)構(gòu)雜亂，機(jī)械強(qiáng)度較低，因此，其應(yīng)用范圍相對(duì)較小。而取向排列的微納米纖維具有各向異性的結(jié)構(gòu)特征，與紡織纖維和人體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)更類似；具有更高的機(jī)械拉伸性能、導(dǎo)電性和光學(xué)性能，這些優(yōu)勢(shì)使其在紡織生物材料[4]、組織工程[5-6]、光電材料[7-8]、傳感器[9]和染料電池[10]等方面具有更好的應(yīng)用；但在靜電紡過(guò)程中，由于射流的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，規(guī)整排列的取向納米纖維的制備是很困難的，因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都在研究制備取向納米纖維的方法。本文較系統(tǒng)地介紹了通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)靜電紡設(shè)備來(lái)制備取向納米纖維的方法與技術(shù)，并詳細(xì)分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步制備取向納米纖維并擴(kuò)大納米纖維的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 旋轉(zhuǎn)的輥軸裝置

1.1 實(shí)體的輥軸

在靜電紡過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的輥軸可以控制靜電紡射流的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而制備出取向的納米纖維，因此，利用高速旋轉(zhuǎn)的輥軸收集取向納米纖維是最早應(yīng)用的一種方法。但是該方法對(duì)輥軸的轉(zhuǎn)速要求很高，當(dāng)輥軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)，旋轉(zhuǎn)輥軸產(chǎn)生的拉伸力使納米纖維沿輥軸的圓周方向取向排列；而當(dāng)輥軸的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，納米纖維的取向排列程度也隨之降低。有研究表明，取向納米纖維的取向排列程度與輥軸的轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系[11]。此外，Wu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，輥軸的切向線速度對(duì)取向微納米纖維的取向排列有很大的影響，當(dāng)輥軸的切向線速度與靜電紡射流的運(yùn)動(dòng)速度相同時(shí)，納米纖維的取向排列程度最高。Edwards等[13]研究發(fā)現(xiàn)輥軸的速度對(duì)納米纖維取向排列程度的影響可以分為3類：1)輥軸速度比較小時(shí)，不能使納米纖維取向；2)輥軸速度達(dá)到最小臨界速度時(shí)，隨著輥軸速度的增加，納米纖維的取向排列程度增加，并達(dá)到最大值；3)輥軸速度太大時(shí)，納米纖維被拉斷，反而使其取向排列程度降低。由此可見，取向納米纖維的收集要求輥軸轉(zhuǎn)速有一個(gè)臨界范圍，對(duì)于制備取向納米纖維的最小和最大臨界速度，其研究結(jié)果都不盡相同，主要與聚合物溶液的性能、輥軸的直徑等有關(guān)。

在靜電紡過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的輥軸不僅可以控制納米纖維的取向，由旋轉(zhuǎn)輥軸產(chǎn)生的拉伸力還可對(duì)靜電紡射流進(jìn)行進(jìn)一步拉伸，使得收集到的納米纖維的直徑降低。JIA L等[14]利用輥軸收集裝置制備了取向的聚乳酸(PLLA)納米纖維，研究結(jié)果表明，與隨機(jī)排列的PLLA納米纖維相比，取向的PLLA納米纖維其直徑更小。

1.2 空心的銅線輥軸

利用實(shí)體的旋轉(zhuǎn)輥軸可以制備取向納米纖維，并可以收集很厚的納米纖維膜，收集效率很高。然而，當(dāng)收集到的納米纖維達(dá)到一定厚度以后，可能是由于纖維表面電荷的積累，纖維直徑的相互排斥力降低，納米纖維的取向排列程度就降低了，而且實(shí)體的輥軸需要很高的速度才能收集到取向的納米纖維。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，Katta等[15]發(fā)明了一種由均勻分布的銅線組成的空心輥軸作為收集裝置，并制備了取向的錦綸6纖維。由于銅線之間空隙的存在，當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速為1 r/min，仍然可以利用該裝置制備取向納米纖維。圖1示出銅線輥軸靜電紡裝置圖和收集的取向納米纖維的SEM照片。

然而，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的靜電紡絲后，沉積的納米纖維填充了銅線之間的空隙，表面存在空隙的銅線輥軸變成了實(shí)體輥軸，而實(shí)體輥軸在轉(zhuǎn)速很低時(shí)只能收集雜亂排列的納米纖維。Katta等[5]還研究了當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速為1 r/min時(shí)，不同紡絲時(shí)間后納米纖維的取向形態(tài)。結(jié)果表明：靜電紡絲5 min后得到的納米纖維的取向排列程度非常好，幾乎可以達(dá)到100%的取向；40 min以后，納米纖維依然表現(xiàn)了定向的取向排列形態(tài)。但是，當(dāng)靜電紡絲過(guò)程持續(xù)到2.5 h后，納米纖維已經(jīng)恢復(fù)到隨機(jī)雜亂的排列形態(tài)了。該研究結(jié)果表明，利用空心的線體輥軸可以制備出取向的微納米纖維，若可以適當(dāng)提高輥軸的轉(zhuǎn)速，將會(huì)得到取向排列更好的納米纖維，靜電紡絲的持續(xù)時(shí)間也將更長(zhǎng)。

1.3 帶有水浴的輥軸

為了進(jìn)一步降低輥軸的轉(zhuǎn)速并制備取向的納米纖維，研究者設(shè)計(jì)了帶有水浴的輥軸收集裝置。首先在水浴中紡絲，然后再將其接收到輥軸表面，利用該方法可以制備出取向的靜電紡納米纖維紗線束。

1.3.1 靜態(tài)水浴法

Smit等[16]發(fā)明了一種利用靜態(tài)水浴和輥軸組合制備取向納米纖維的方法。不溶于水的聚合物射流被噴射到水浴中，經(jīng)過(guò)水溶液的固化，最終被收集在旋轉(zhuǎn)的滾軸表面，形成取向納米纖維。利用這種方法已經(jīng)成功制備了聚醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈(PAN)納米纖維，且1 h內(nèi)可以制備出180 m的納米纖維紗線；但是這種方法制取的納米纖維束，納米纖維之間有非常嚴(yán)重的黏連現(xiàn)象，而且所用的聚合物材料要不溶于水，因此，目前這種方法應(yīng)用很少。

1.3.2 動(dòng)態(tài)水浴法

Teo等[17]設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)水浴和輥軸組合的接收裝置，其靜電紡裝置如圖2所示。該裝置包括2個(gè)水池和1個(gè)低速旋轉(zhuǎn)的輥軸，水池上下放置。在上水池的底部開一個(gè)直徑約為5 mm的孔，上水池的水會(huì)經(jīng)過(guò)該孔流到下面的水池，下水池的水又經(jīng)由水泵流到上水池，從而形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。上水池的水通過(guò)一根導(dǎo)線接地，消除水表面的殘余電荷。由于上水池的水經(jīng)過(guò)孔洞流到下水池，因此，會(huì)在上水池內(nèi)形成漩渦，漩渦將帶動(dòng)沉積于其表面的纖維一起旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)離心力和水流牽伸力的作用下對(duì)納米纖維進(jìn)行拉伸牽引，并在旋渦底部匯成1束纖維束，隨水流從孔中流出，然后卷繞到旋轉(zhuǎn)的輥軸表面。利用該方法可以制備出連續(xù)的取向納米纖維束，但是納米纖維之間也存在黏連現(xiàn)象。

2 平行排列的電極收集裝置

表面帶有電荷的靜電紡射流對(duì)接收區(qū)域的電場(chǎng)力是非常敏感的，通過(guò)調(diào)整接收區(qū)域的電場(chǎng)分布將接收到取向排列的納米纖維。當(dāng)2塊平行的電極作為接收裝置放置在接收區(qū)域時(shí)，它們產(chǎn)生的誘導(dǎo)電場(chǎng)力將聚合物射流同時(shí)拉向2個(gè)電極表面，最終射流取向地懸垂在2個(gè)電極之間，形成取向納米纖維。許多研究者利用該方法制備了取向納米纖維，并研究了聚合物溶液的性能對(duì)納米纖維形態(tài)的影響。有研究表明，溶液的導(dǎo)電率對(duì)納米纖維形態(tài)的影響非常大，當(dāng)溶液的導(dǎo)電率較低時(shí)，射流表面攜帶的電荷較少，平行電極對(duì)射流的拉伸力不足于使纖維取向；而當(dāng)聚合物溶液的電導(dǎo)率較高時(shí)，射流表面攜帶大量的電荷導(dǎo)致其三維鞭動(dòng)比較劇烈，納米纖維的取向排列程度隨之降低[18-19]。Xin等[19]曾利用該方法制備聚對(duì)苯乙炔(PPV)納米纖維，但是由于PPV溶液的導(dǎo)電率太高，收集到的納米纖維依然是隨機(jī)排列的。

2.1 平行排列的導(dǎo)電硅電極

Li等[20]最先利用2塊平行排列的導(dǎo)電硅電極作為接收裝置，制備取向納米纖維。2個(gè)平行排列的硅電極是分開放置的并分別接地，二者之間的距離可以隨機(jī)調(diào)節(jié)，從幾微米到數(shù)十厘米之間。由于2個(gè)硅電極是同電位，對(duì)射流的拉伸作用相同，在靜電紡過(guò)程中，射流在電場(chǎng)力作用下被同時(shí)拉伸到2個(gè)硅電極表面，最終取向地沉積在2個(gè)平行硅電極的空隙中。利用該裝置，Li等制備了取向排列的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)納米纖維，其排列方向與空隙邊緣垂直。Li等還利用Student′s QuickField 軟件模擬了平行導(dǎo)電硅電極附近的電場(chǎng)分布，結(jié)果表明電場(chǎng)線在硅電極附近分裂成2部分，分別指向2個(gè)硅電極，說(shuō)明2個(gè)硅電極對(duì)射流具有相同的拉伸作用力。另外，Li等利用電荷間的庫(kù)侖力研究了靜電紡射流在2個(gè)硅電極附近的受力，進(jìn)一步證明了納米纖維將懸浮在2個(gè)硅電極之間的空隙中，并沿著與硅電極邊緣垂直的方向取向排列。但是該方法也存在一些缺點(diǎn)：一方面只能收集一些相對(duì)較粗的納米纖維，如果納米纖維的線密度太小(小于150 nm)，由于自身重力和其他纖維庫(kù)侖斥力的作用，納米纖維會(huì)斷裂；另一方面是當(dāng)納米纖維達(dá)到一定厚度以后，納米纖維的取向排列程度將降低。

2.2 平行排列的金屬板電極

為了研究平行電極的導(dǎo)電性對(duì)靜電紡射流運(yùn)動(dòng)的影響，Teo等[21]利用2塊具有鋒利邊緣的金屬板來(lái)收集納米纖維。2塊金屬板對(duì)電極是相對(duì)平行放置的，上表面具有鋒利的邊緣，為了屏蔽電場(chǎng)力的影響，金屬板對(duì)電極相對(duì)的2個(gè)邊緣被絕緣膠布包裹著，其靜電紡裝置如圖3所示。在該接收裝置中，上表面鋒利的邊緣通過(guò)電荷聚集的作用收集納米纖維，利用該裝置制備了取向排列的聚己內(nèi)酯(PCL)納米纖維。此外，為了研究對(duì)電極的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)納米纖維形態(tài)和沉積狀態(tài)的影響，Teo等還對(duì)金屬板對(duì)電極分別施加了0、-1、-2、-4 kV的電壓。結(jié)果表明，當(dāng)金屬板對(duì)電極接地時(shí)，即未施加負(fù)電壓，納米纖維的沉積是沿著一個(gè)彎曲的路線從一個(gè)金屬板的鋒利邊緣向另一個(gè)金屬板的鋒利邊緣運(yùn)動(dòng)，所以納米纖維之間是均勻排列的；而當(dāng)金屬對(duì)電極被施加上負(fù)電壓以后，由于電荷的聚集，納米纖維都聚集在金屬板邊緣的中心位置，呈聚集態(tài)取向排列。

另外，有研究表明，2個(gè)平行電極的距離對(duì)納米纖維的沉積量和取向排列都有很大的影響。由2個(gè)平行電極產(chǎn)生的對(duì)射流的取向拉伸力隨著2個(gè)平行電極距離的增加而降低，因此，當(dāng)2個(gè)電極的距離較大(大于50 cm)時(shí)，納米纖維很難沉積在2個(gè)電極的空隙部分[22]。Teo等[21]也研究了2個(gè)電極板的距離(2、3、5、8、10 cm)對(duì)納米纖維的影響，結(jié)果表明：當(dāng)2個(gè)電極之間的距離小于或等于5 cm時(shí)，納米纖維取向地沉積在2個(gè)電極之間的空隙部分；當(dāng)2個(gè)電極之間的距離為8 cm或10 cm時(shí)，只能收集到很少量的納米纖維。2個(gè)電極之間的距離對(duì)納米纖維的取向排列也有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)，隨著2個(gè)電極距離的增加，納米纖維的取向排列程度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。關(guān)于能制備出取向排列最好的納米纖維的最佳距離，不同研究得出的結(jié)果不盡相同，與溶液的性質(zhì)、電極的導(dǎo)電率等有關(guān)[22-23]。

2.3 平行排列的磁體收集裝置

Yang等[24]利用1對(duì)相對(duì)平行放置的磁體作為接收裝置，收集取向納米纖維。在該方法中，2個(gè)具有永恒磁性(N極和S極)的磁體的距離是5 cm，2個(gè)磁體之間產(chǎn)生磁場(chǎng)作用，在聚合物溶液中加入了少量的磁性納米顆粒，可以使聚合物溶液磁化。在靜電紡過(guò)程中，由于2個(gè)磁體之間的空隙部分存在無(wú)數(shù)條從N極指向S極的磁場(chǎng)線，帶有磁性顆粒的射流受到磁場(chǎng)的吸引，將在磁場(chǎng)的作用下沿磁場(chǎng)線的分布取向排列，最終在2個(gè)磁體之間收集了懸浮在空隙中的取向排列的納米纖維。Yang等在8%聚乙烯醇(PVA)溶液中加入了0.5%的Fe3O4納米顆粒，并利用此方法制備了取向排列程度很高的PVA納米纖維。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證磁場(chǎng)的作用對(duì)取向納米纖維的影響，Yang等[24]又做了3個(gè)實(shí)驗(yàn)。第1個(gè)實(shí)驗(yàn)是利用2塊塑料板代替磁體作為收集裝置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米纖維沒有沉積在塑料板的空隙中，而且收集到的納米纖維是毫無(wú)取向的；第2個(gè)實(shí)驗(yàn)是聚合物溶液中沒有加入磁性的納米顆粒，利用平行排列的磁體沒有收集到取向納米纖維；第3個(gè)實(shí)驗(yàn)依然利用平行排列的磁體作為收集裝置，聚合物溶液中也加入了磁性的納米顆粒，但是2個(gè)磁體的距離較大(10 cm)而沒有磁場(chǎng)形成，靜電紡射流不能懸浮在2個(gè)磁體之間，因此，不能收集到取向納米纖維。Yang等的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁場(chǎng)的作用是該裝置收集取向納米纖維的關(guān)鍵。利用該方法可以很方便地收集到取向排列的納米纖維，但是收集到的納米纖維中含有少量的磁性顆粒，可能會(huì)影響納米纖維的純度和應(yīng)用。

3 輔助電極收集裝置

在靜電紡過(guò)程中，由于射流具有復(fù)雜的三維“鞭動(dòng)”，很難利用普通的裝置制備取向納米纖維，因此，控制射流的運(yùn)動(dòng)是制備取向納米纖維的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，在靜電場(chǎng)中放置一個(gè)輔助電極可以影響電場(chǎng)分布，進(jìn)而控制射流的運(yùn)動(dòng)并制備取向納米纖維。

3.1 金屬圓環(huán)輔助電極

為了控制靜電紡射流的運(yùn)動(dòng)，Deitzel等[25]最早在靜電場(chǎng)中放置幾個(gè)金屬圓環(huán)作為輔助電極來(lái)改變?cè)械碾妶?chǎng)分布，并通過(guò)此方法制備了取向的聚氧乙烯(PEO)納米纖維。他們?cè)趪娊z頭和接收裝置之間放置幾個(gè)金屬圓環(huán)電極，并利用平行排列的木條來(lái)收集納米纖維。由于多個(gè)圓環(huán)電極的存在，抑制了靜電紡射流的不穩(wěn)定鞭動(dòng)，使穩(wěn)定段射流長(zhǎng)度增加，不穩(wěn)定段射流長(zhǎng)度減小甚至消失，最終在平行排列的木條表面收集到了取向排列的納米纖維。利用該方法制備取向納米纖維比較復(fù)雜，且納米纖維的取向排列程度不高，但為后續(xù)研究提供了利用輔助電極控制射流運(yùn)動(dòng)的思路。

3.2 具有鋒利邊緣的平行金屬條輔助電極

Teo等[26]設(shè)計(jì)了一種輔助電極與旋轉(zhuǎn)輥軸組合的收集裝置，其設(shè)備示意圖如圖4(a)所示。他們將一組具有鋒利邊緣的平行金屬條作為輔助電極，放置在旋轉(zhuǎn)的輥軸下方控制射流的運(yùn)動(dòng)，并利用低速旋轉(zhuǎn)的輥軸(838 r/min)制備了取向的聚己內(nèi)酯(PCL)納米纖維。平行排列的鋁制金屬條具有刀片般的鋒利邊緣，且被施加了-8 kV的負(fù)極高壓。在靜電紡過(guò)程中，由于平行排列的金屬條與噴絲頭的電勢(shì)差超過(guò)了其他地方(包括輥軸)與噴絲頭之間的電勢(shì)差，靜電紡射流被拉伸到金屬條表面。又由于金屬條具有刀片般的鋒利邊緣，表面積非常小，根據(jù)電荷聚集原理，靜電紡射流會(huì)被優(yōu)先拉伸到金屬條的邊緣上。由于旋轉(zhuǎn)輥軸放置在平行金屬條的上方，其產(chǎn)生的拉伸力將靜電紡射流拉伸到輥軸表面，使其沿輥軸的圓周方向取向排列。

為了研究對(duì)角線的電場(chǎng)分布對(duì)靜電紡射流運(yùn)動(dòng)的影響，Teo等將具有鋒利邊緣的金屬條電極放置在噴絲頭的斜下方(即距離噴絲頭的水平距離和垂直距離都是7 cm)，并將金屬條電極傾斜45°，以減小金屬條對(duì)電場(chǎng)分布的影響(如圖4(b)所示)。由此可以連續(xù)紡絲而不間斷，提高了靜電紡絲的效率。此外，通過(guò)改變金屬條電極的位置可以得到取向方向不同的取向納米纖維。

3.3 平行金屬板電極

3.3.1 2塊平行金屬板電極

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種金屬電極與輥軸組合的收集裝置，該裝置包括旋轉(zhuǎn)的輥軸、2塊平行排列的金屬電極。用1根電線連接將2塊平行電極連接起來(lái)，并施加-5 kV的電壓，由此增加噴絲頭與平行電極之間的電勢(shì)差。有機(jī)玻璃制成的輥軸可以減小輥軸對(duì)高壓電場(chǎng)的干擾，平行電極放置在輥軸的兩側(cè)。在靜電紡過(guò)程中，平行電極與噴絲頭之間的電勢(shì)差最大，射流被拉伸到平行電極表面。由于輥軸表面的高度大于平行電極，旋轉(zhuǎn)輥軸產(chǎn)生的拉伸力將射流拉伸到輥軸表面，沿其圓周方向取向排列，利用該方法制備取向納米纖維時(shí)輥軸的轉(zhuǎn)速比較低。當(dāng)輥軸的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，利用該方法制備了取向的聚氨酯(PU)納米纖維，并測(cè)得納米纖維的取向排列系數(shù)為82%[27]。此外，通過(guò)改變平行電極與滾筒的位置，可以收集到取向方向不同的取向納米纖維。最后利用Ansoft Maxwell軟件模擬了靜電紡過(guò)程中的電場(chǎng)分布，從理論上驗(yàn)證了取向納米纖維的制備。

3.3.2 3塊平行金屬板電極

為了研究輔助電極的數(shù)目和施加電壓對(duì)納米纖維取向排列的影響，Wu等[28]在旋轉(zhuǎn)的輥軸下面放置了3塊平行金屬板電極，并分別對(duì)其施加了不同的電壓，其靜電紡設(shè)備和施加電壓的示意圖如圖5所示。在靜電紡過(guò)程中，噴絲頭被施加的電壓為-15 kV，輥軸的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，當(dāng)3個(gè)平行電極都接地時(shí)，輥軸接收到的納米纖維的取向排列程度非常差；而當(dāng)兩邊的2個(gè)電極被施加-10 kV的高壓，中間的電極被施加+8 kV的高壓時(shí)，輥軸表面可以收集到取向排列的納米纖維。該結(jié)果說(shuō)明僅靠輥軸的旋轉(zhuǎn)很難收集到取向排列程度很高的納米纖維，輔助電極的存在可以很大程度上控制射流的運(yùn)動(dòng)，提高納米纖維的取向排列程度。

4 其他收集裝置

4.1 具有鋒利邊緣的旋轉(zhuǎn)圓盤

Theron等[29]介紹了一種制備取向的靜電紡納米纖維的方法。利用接地的、具有錐形鋒利邊緣的旋轉(zhuǎn)圓盤收集取向排列的納米纖維，轉(zhuǎn)盤的厚度為5 mm，錐形邊緣的高度為5 mm，錐頂角為53.2°。根據(jù)尖端放電原理，高壓靜電荷主要集中在尖銳的轉(zhuǎn)盤邊緣，隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，射流被拉伸到轉(zhuǎn)盤邊緣并形成取向納米纖維，Theron等利用該裝置制備了取向的聚氧化乙烯(PEO)納米纖維。由于射流表面攜帶有大量的電荷，電荷間庫(kù)侖斥力的相互作用使射流之間相互排斥，之前沉積下來(lái)的納米纖維將對(duì)其他將要沉積的納米纖維施加一個(gè)庫(kù)侖斥力，排斥其他纖維沉積在同一地方，因此，由該方法制備的納米纖維之間存在1～2 μm的間距，而納米纖維直徑的大小和攜帶電荷的多少會(huì)影響纖維之間間隔的距離。

4.2 多個(gè)電極收集裝置

Li等[30-31]在2個(gè)平行電極收集納米纖維的基礎(chǔ)上研究了多個(gè)電極收集裝置。他們首先在絕緣的石英晶片表面粘了4個(gè)金電極，4個(gè)電極分別在4個(gè)方向?qū)ΨQ放置，如圖6所示。當(dāng)只使1對(duì)分開的對(duì)稱放置的電極接地時(shí)，會(huì)在2個(gè)電極的空隙部位收集到與2個(gè)電極的邊緣垂直分布的取向納米纖維；當(dāng)只使另外1對(duì)電極接地時(shí)，會(huì)在另外1對(duì)電極的空隙部分收集到與其邊緣垂直的取向納米纖維。因此，利用該裝置可以制備出取向方向不同的具有2層結(jié)構(gòu)的納米纖維膜。當(dāng)4塊電極都接地時(shí)，大多數(shù)納米纖維會(huì)沉積在相鄰2塊電極的角落處，取向方向?yàn)?5°角方向或135°角方向；有一少部分納米纖維沉積在4個(gè)電極的中心空隙部分，中心部位收集到的是取向方向不同的納米纖維膜。與上面收集的2層的納米纖維不同，中心部位接收到的納米纖維不能被分成單獨(dú)的2層。隨后，Li等又在石英晶片表面對(duì)稱地黏了6個(gè)金屬電極(如圖6(b)所示)，通過(guò)交替地使2個(gè)相對(duì)的電極接地，可以制備出3層的取向方向不同的納米纖維膜，而且這3層納米纖維膜是可以相互分離的。

4.3 框架收集裝置

為收集并測(cè)試單根納米纖維的性能，Huang等[3]利用一種框架收集裝置制備了取向排列的PEO納米纖維。在噴絲頭的下方放置一個(gè)框架，框架是傾斜放置的，即與水平面有一個(gè)角度α，在靜電紡過(guò)程中，射流被拉伸到框架表面而沉積下來(lái)，最終收集到取向排列的納米纖維。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，框架的材質(zhì)對(duì)納米纖維的取向排列程度有一定的影響，當(dāng)框架的傾斜角度α都為60°時(shí)，鋁制框架收集到的納米纖維的取向排列程度高于木質(zhì)框架。此外，Huang等還利用旋轉(zhuǎn)的框架連續(xù)地收集取向的PEO納米纖維。關(guān)于利用框架裝置收集取向納米纖維，還有許多深入的內(nèi)容需要研究，例如2個(gè)相對(duì)框邊緣的距離、框架的傾斜角度、框架的旋轉(zhuǎn)速度等，這些參數(shù)都將會(huì)影響取向納米纖維的收集，并直接影響納米纖維的取向形態(tài)。

4.4 尖端收集裝置

Rafique等[32-33]設(shè)計(jì)了一種新型的靜電紡裝置，由尖端接收裝置和絕緣支撐板組成，而尖端接收裝置又由接地的金屬線電極和電極支撐裝置組成，電極支撐裝置的中心部位有1個(gè)孔，金屬線電極(直徑為2 mm)穿過(guò)該孔接地，整個(gè)接收裝置與噴絲頭成一定角度傾斜放置，其示意圖如圖7(a)所示。在靜電紡過(guò)程中，由于尖端收集裝置與噴絲頭成一定角度分開放置，將誘導(dǎo)射流橫向噴射，通過(guò)金屬電極的引導(dǎo)作用，制備出單根的納米纖維，還可以使納米纖維取向地懸垂在尖端接收裝置和絕緣支撐板之間。Rafique等利用該裝置制備了取向的PAN、PCL納米纖維。為了有效提高取向納米纖維的生產(chǎn)效率，又設(shè)計(jì)了多針頭、多尖端的靜電紡裝置(如圖7(b)所示)。由于針頭被施加了高壓靜電，針頭之間有相互的電場(chǎng)力影響，Rafique等經(jīng)過(guò)最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作為電極支撐裝置的木質(zhì)框架的長(zhǎng)度為68 cm，2個(gè)噴絲頭之間的距離為17 cm，噴絲頭和金屬線電極的距離為16 cm，相鄰2個(gè)金屬線電極的距離為17 cm時(shí)，電場(chǎng)之間的干擾和噴絲頭之間的相互斥力最小。利用該裝置，Rafique等制備了取向的PCL納米纖維。

5 結(jié) 語(yǔ)

取向微納米纖維具有各向異性的結(jié)構(gòu)特征，與紡織纖維和人體細(xì)胞外基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)更類似；具有更高的機(jī)械拉伸性能、導(dǎo)電性和光學(xué)性能，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。從傳統(tǒng)的靜電紡絲方法來(lái)看，如何控制射流的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引導(dǎo)射流取向的沉積是制備取向納米纖維的關(guān)鍵。高速旋轉(zhuǎn)的輥軸利用其表面產(chǎn)生的拉伸力對(duì)射流的運(yùn)動(dòng)有一定的控制，可以收集到取向納米纖維；平行放置的金屬板或電極，由于電荷聚集效應(yīng)，可以將射流拉伸到其表面，使射流懸垂在2個(gè)平行金屬板之間。這2種方法不能收集到很厚的納米纖維膜，且效率較低。而利用輔助電極和輥軸組合的收集裝置，一方面可以降低輥軸的轉(zhuǎn)速，節(jié)約能源；另一方面，由于輔助電極對(duì)射流的控制，可以制備出取向排列程度更高的納米纖維，而且納米纖維的取向排列不受納米纖維厚度的影響。

制備取向納米纖維的方法很多，但都存在一定的不足。引入輔助電極控制射流的運(yùn)動(dòng)，再利用其他裝置收集納米纖維，是目前發(fā)展的方向，而且還可以通過(guò)此方法制備出成束的納米纖維紗線，在紡織服裝等領(lǐng)域具有非常大的潛力，是今后發(fā)展的主要方向。

FZXB

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Research and development of aligned nanofibers prepared by electrospinning

JIA Lin,ZHANG Haixia,WANG Xixian

(CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China)

The conventional electrospun non-woven membranes have chaotic microstructure and inferior mechanical properties,which limit their applications.However,aligned nanofibers possess anisotropic morphology,anisotropic wettability and higher mechanical properties,and these advantages endows aligned nanofibers with wider range of applications.Hence,many researchers modified conventional collecting apparatus to fabricate aligned nanofibers.The methods and collecting equipments including rotating cylinder,parallel plate,auxiliary electrodes and some other apparatus were summarized,and the merits and demerits of these methods were also analyzed and compared,thus providing a reference for the further development of aligned nanofiber and expansion of the application of nanofibers.

electrospinning; aligned nanofiber; preparation method; auxiliary electrode

10.13475/j.fzxb.20141105508

2014-11-21

2015-09-07

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(13IRTSTHN024，15IRTSTHN011)

賈琳(1986—)，女，講師，博士。主要研究方向?yàn)殪o電紡納米纖維的制備及應(yīng)用。E-mail：lynnjia0328@163.com。

TS 102.5

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