材料簡介
電紡絲( electrospinning) 又稱靜電紡絲( electrostatic spinning) , 是一種利用聚合物溶液或熔體在強電場作用下形成噴射流進行紡絲加工的工藝。近年來, 電紡絲作為一種可製備超精細纖維的新型加工方法, 引起了人們的廣泛關注。理論上, 任何可溶解或熔融的高分子材料均可進行電紡絲加工。目前世界上已成功進行電紡絲加工的聚合物超過30 種, 包括DNA、膠原、絲蛋白等天然高分子, 以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚醯亞胺、尼龍、聚乙烯醇、聚己內酯、聚氨酯等合成高分子。
原理
電紡絲技術說明在電紡絲過程中, 噴射裝置中裝滿了充電的聚合物溶液或熔融液。在外加電場作用下, 受表面張力作用而保持在噴嘴處的高分子液滴, 在電場誘導下表面聚集電荷, 受到一個與表面張力方向相反的電場力。當電場逐漸增強時, 噴嘴處的液滴由球狀被拉長為錐狀, 形成所謂的泰勒錐 ( Taylorcone) 。而當電場強度增加至一個臨界值時, 電場力就會克服液體的表面張力, 從泰勒錐中噴出。噴射流在高電場的作用下發生震盪而不穩, 產生頻率極高的不規則性螺旋運動。在高速震盪中, 噴射流被迅速拉細, 溶劑也迅速揮發, 最終形成直徑在納米級的纖維, 並以隨機的方式散落在收集裝置上, 形成無紡布。
發展歷史
隨著納米技術的發展，電紡絲技術近年來得到高度的重視，但其基本思想卻可能追溯到一百多年前。人們對電紡絲的認識是從研究液體在電場下的電噴射行為開始的。1882年 Raleigh等研究了液滴在電場中出現不穩定現象，當電場力超過表面張力時，原本的平衡被打破，懸在噴絲頭的液滴就劈裂成一系列帶電小液滴，這種不穩定現象後來被稱為“Rayleigh Instability”。1915年以來Taylor等研究了液滴和充電纖維束在電場下發生破碎的問題，隨著電場加強，液滴逐漸被拉長，當電場力和表面張力數值相等時，就形成了頂角為49.3°的圓錐，這種圓錐後來被稱為“Taylor cone”。
在對液體電噴過程有了一個基本認識的基礎上，逐漸套用到纖維的製備，從而發展成為獲得聚合物微納米纖維的靜電紡絲技術。1934年Formlals發表了靜電紡絲技術的第一篇專利，詳細闡述了用靜電場製備高分子細絲的工藝和裝置。1966年Simons用直徑超細、重量極輕、並且帶有不同圖案的納米纖維製成了相應的無紡布。上世紀九十年代Reneker教授所在研究小組對靜電紡絲技術的完善和發展做出了重要貢獻，不僅包括對系列高分子進行電紡絲，還對紡絲過程中纖維形成機理做了詳盡闡述。從此，全世界的研究工作者們開始了對靜電紡絲技術的基礎和套用研究。
產業化現狀
2003年9月,捷克利貝雷茨大學與 E lmarco公司合作, 研製出了世界上首台納米纖維紡絲機-納米蜘蛛。納米蜘蛛取消了傳統電紡中的噴絲頭, 取而代之的是一個圓筒, 圓筒被部分浸入到聚合物溶液中, 不斷轉動 並在電場作用 下形成無數 Taylor錐, Taylor錐噴射射流群形成納米纖維, 將生產效率由傳統的單噴絲頭紡絲機的 011 ~ 1g/h提高到 1 ~ 5g/m in, 並能生產寬幅超過 1m 的大面積無紡布, 為未來電紡絲納米纖維的大規模工業化生產打下了良好的基礎。
電紡絲目前全球參與電紡絲產品研製開發的大型公司和企業約有幾十家, 如 Elmarco公司、Freudenberg公司、Donalson公司、日本的株式會社、美國的 STAR Inc. 公司和 eSpin公司等。我國目前電紡絲科研技術處於世界先進水平, 但一直沒有形成規模的工業生產。其中，永清華源生物材料科技公司生產的HY-1型靜電紡絲設備，在國內和日本加多公司的neu型形成鮮明的對比。HY-1型電紡絲設備把傳統的機械操作分散式功能，利用數控機械裝置集成化實現。在紡絲過程中，通過推注，往復平移等控制系統對液體流速進行精確控制。實現了真正操作簡單、可重複性、小規模生產批量化的特點。目前，該公司已研製出了國內首台納米纖維大型紡絲機-Sining,能生產寬幅為1m的大面積無紡布, 產率約為100m/min。這意味著國內電紡絲納米纖維的大規模工業化生產已經開始。?
