新型氣泡靜電紡絲技術(shù)及自清潔納米纖維膜的制備.pdf

1、靜電紡絲技術(shù)是目前最有效、最直接的制備納米纖維方法，制備得到的納米纖維不僅具有比表面積高等特性，還有機械穩(wěn)定性好、纖維連續(xù)性好等優(yōu)點。其應(yīng)用已涉及過濾、分離、吸聲、能源、組織工程、生物醫(yī)學(xué)、傳感器等領(lǐng)域。隨著納米纖維應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，其工業(yè)化制備技術(shù)也成為了世界各國研究的熱點之一。
　　本文首先介紹了靜電紡納米纖維的形貌特征及其應(yīng)用領(lǐng)域，回顧了靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，總結(jié)了目前可工業(yè)化制備納米纖維的技術(shù)，并將其分為兩個大類

2、：多針式靜電紡與無針式靜電紡，同時對目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)備的生產(chǎn)能力及相關(guān)參數(shù)進行了詳細(xì)介紹。在分析該兩類技術(shù)利弊的基礎(chǔ)上，認(rèn)為無針式靜電紡絲在工業(yè)化制備納米纖維方面更具應(yīng)用潛力。
　　通過對無針靜電紡絲技術(shù)原理與傳統(tǒng)氣泡靜電紡絲原理的深入理論分析，探究了提高氣泡靜電紡絲技術(shù)工業(yè)化制備納米纖維能力的可行性，并探討了具體的可實施方案?；诖?，本文提出了一種新的靜電紡絲方法——新型氣泡靜電紡絲，根據(jù)該方法的主要思想，研制了相應(yīng)的

3、實驗裝置，該裝置最大的創(chuàng)新在于將無針式靜電紡的旋轉(zhuǎn)式噴頭與氣泡靜電紡的氣泡發(fā)生器結(jié)合為一體。
　　為了更直觀的探究新型氣泡靜電紡絲裝置的工業(yè)化生產(chǎn)潛力及納米纖維產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可控性，本文從射流數(shù)量、納米纖維的直徑、納米纖維膜的微觀與宏觀形貌和納米纖維產(chǎn)量四個方面進行了實驗探討。實驗結(jié)果表明：在新型氣泡靜電紡絲過程中，氣泡發(fā)生器的邊緣和氣泡膜破裂瞬間會有大量的射流同時產(chǎn)生并飛向接收極板，射流的溶劑揮發(fā)，納米纖維固化并沉積在接收極板上

4、。在實驗過程中，可以通過調(diào)節(jié)氣泡發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)頻率來控制單個氣泡的產(chǎn)生頻率，從而控制射流的產(chǎn)生速度。同時，以PVP、PVA、PES進行新型氣泡靜電紡絲實驗，可以制備得到平均直徑為255±54nm的PVA納米纖維、平均直徑為595±155nm的PES納米纖維、平均直徑為432±194nm的 PVP納米纖維。所制備得到的納米纖維膜也具備一定的機械強力，并可以從接收極板上剝落，形成單獨的納米纖維膜片。除此，在對30％P VP、30%P ES和1

5、0%的PAN進行紡絲產(chǎn)量實驗時，納米纖維產(chǎn)量分別為3.05克/小時、3.15克/小時和1.2克/小時，相比單針靜電紡的產(chǎn)量高出了10倍以上，這表明新型氣泡靜電紡絲在產(chǎn)量上具有明顯優(yōu)勢。
　　為了探究新型氣泡靜電紡絲過程中產(chǎn)生大量射流的機理，本文從氣泡膜的靜力學(xué)和動力學(xué)兩方面分析了氣泡膜在靜電場作用下的靜力學(xué)狀態(tài)、氣泡膜膨脹至破裂過程中產(chǎn)生射流并紡絲的機理、射流的運動行為。通過氣泡膜的靜力學(xué)分析，得到了氣泡大小與其表面張力的正比例關(guān)

6、系——氣泡的直徑越小，其表面張力越小，越容易在靜電場的作用下發(fā)生膜失穩(wěn)而破裂，從而產(chǎn)生射流進行紡絲。通過對新型氣泡靜電紡絲過程中產(chǎn)生射流的階段進行實驗分析，發(fā)現(xiàn)氣泡膜破裂前、破裂瞬間、破裂后均有射流產(chǎn)生。其中，氣泡破裂前的少量射流是從不穩(wěn)定的氣泡膜表面的氣泡中產(chǎn)生的；氣泡膜破裂瞬間產(chǎn)生的大量射流則是由氣泡膜破裂形成的子氣泡和撕裂的氣泡膜邊緣產(chǎn)生；氣泡膜破裂后紡絲噴頭頂端產(chǎn)生的大量射流則是由氣泡破裂時覆蓋于紡絲噴頭上的紡絲液膜產(chǎn)生振動而形

7、成的。結(jié)合質(zhì)量守恒、電荷守恒、動量守恒和N-S方程，建立了新型氣泡靜電紡絲過程中帶電射流的運動控制方程；通過將帶電射流看做非牛頓流體，分析了帶電射流在靜電場中的運動規(guī)律。
　　通過新型氣泡靜電紡絲設(shè)備制備了PVDF/ZnO納米纖維膜，再結(jié)合水熱合成法，制備了PVDF/ZnO納米線纖維膜。在該研究中，通過SEM、TEM、FTIR、XRD等表征手段，研究了ZnO納米顆粒的制備機理、ZnO納米線的生長機理。并通過控制P VDF紡絲液濃度

8、、生長液添加成份、紡絲液中醋酸鋅含量和水熱合成時間來控制ZnO納米線的直徑和形貌、ZnO納米線纖維膜的形貌。
　　基于 ZnO納米線與荷葉表面凸起納米管的形貌相似性，用與荷葉表面覆蓋的低表面能物質(zhì)有相似基團的油酸，對ZnO納米線纖維膜進行涂層處理，仿生“荷葉效應(yīng)”制備了自清潔納米纖維膜。通過SEM、FTIR等表征手段發(fā)現(xiàn)，除了ZnO納米線纖維膜的微納米層次結(jié)構(gòu)之外，油酸涂層形成的低表面能基團-CH2-和-CH3是提高ZnO納米線纖