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静电纺丝纳米纤维的制备研究

作者:jiaoshilw.com 更新时间:2018/6/29 9:54:15

 纳米科技是未来重要前沿科技之一,对该领域的探索应用极大地丰富了人们对世界的认知,并给人们的生活带来变革。近年来纳米材料在相关领域表现突出,制备纳米材料的方法越来越丰富,静电纺丝技术是制备纳米纤维最有效的方法,已经成为研究热点。静电纺丝获得的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高等优点,因此,在化工和电子、能源材料、生物医学以及无机材料等诸多领域越来越显示出应用潜力。静电纺丝纳米纤维应用领域不同,导致對其孔隙、排列取向和直径分布要求都不相同。因此制备质量优良的纳米纤维,通过提高相关工艺参数影响其关键性能指标,达到提升其应用的价值,具有十分重要的意义。
  本文就是在传统静电纺丝装置不能满足需求的情况下,根据实际需求设计了一款接收器装置,通过选择电纺材料,配置溶液,以及对电纺的纳米纤维进行电镜扫描等一系列试验,验证了该接收器可以改进纤维的排列取向,提高纤维质量,提升纤维的应用价值。
  1 静电纺丝系统
  Formhals在1934年的一篇专利中,阐述了通过利用静电斥力,可以获得高分子纤维丝的方法,即静电纺丝法,原理是在强电场下,带电聚合物被高倍拉伸。在电压增大,电场逐渐增强的情况下,喷头处的滴液逐渐被拉伸。当电压调整到一定范围时,带电液滴在电场力作用下,形成泰勒锥。从泰勒锥尖端喷出高速射流,溶剂在运动过程中不断挥发,逐渐增大了射流的电荷密度,通过细化分裂得到了静电纺丝纤维。在高压电源、接收器、供液泵、喷丝头的共同作用下完成静电纺丝,装置原理如图1所示。
  对静电纺丝装置的优化,可以提高电纺纤维质量,极大地拓展电纺纤维的应用领域]。静电纺丝的传统系统一般由3部分组成:供液系统、高压供电系统、接收系统。一般供液系统选择注射泵、电压选择高压直流供电,接收器一般接电源负极,常用的有平板式和滚筒式接收器]。静电纺丝技术获得了种类丰富的纤维品,装置中的滚筒、网格、平板等传统接收手段,已经不能满足需求。本课题结合滚筒式接收器和平行电极式接收器两者的特点,设计一种既可以获得像平行电极式接收器那样取向度,又可以像滚筒式接收器那样一次获得量比较多的接收器,即一种平行双滚筒接收器。静电纺丝装置系统如图2所示,两平行滚筒形成的电场分布有利于纳米纤维平行沉积,可实现大量收集。
  平行双滚筒接收器主要由滚筒、支持架、联轴器和步进电机组成。此接收器还有如下特点:当作普通的单滚筒用(开一个电机关一个电机);当作静态平行条形电极用(两个电机都关闭);动态的平行双滚筒电极。
  2 实验分析
  2.1 溶液配置与电纺参数设定
  本实验采用聚乳酸一羟基乙酸共聚物(Poly (Lactic-co-Glycolic Acid),PLGA)为溶质进行溶液的配制,PLGA是一种可降解的功能高分子有机化合物,由随机聚合乳酸和羟基乙酸而成,具有良好的生物相容性,在生物医学工程领域有广泛的用途。PLGA购买于济南岱罡生物工程有限公司,相对分子质量5万,乳酸和羟基乙酸的比例是50:50。溶剂是二甲基甲酰胺与四氢呋喃按1:3体积比混合成,用来溶解PLGA,用磁力搅拌器搅拌8h使得PLGA充分溶解,配制成浓度为25%的溶液。电纺时设置电压为16 kV,流速是0.5 mL/h,接收器距离为20 cm。
  2.2 纳米纤维的形貌图
  为了清楚看到接收器不同情况下电纺纤维的形貌,设置了4种接收模式(见图3):(1)两滚筒中一滚筒不接通电源负极、不旋转,另一个接直流高压电源负极、不旋转,即普通平板接收器。(2)两滚筒中一滚筒不接通电源负极、不旋转,另一个接直流高压电源负极、适当转速旋转,即普通滚筒接收器。(3)两滚筒均接通直流高压电源的负极、不旋转,即平行条形电极接收器。(4)两滚筒接直流高压电源负极、旋转,即新型的动态平行电极接收器。
  将电纺获得的纳米纤维制成扫描电镜样本,在室温下以10 mA电流喷金90 s,利用s-4800日立扫描电子显微镜,对样本进行图像扫描,来确定电纺纳米纤维的形貌。
  从图中可以看出,a图的纤维是杂乱无章的,b图的纤维取向略好,c图的纤维取向有提高,d图的纤维取向明显提高。试验结果验证了接收装置的有效性。
  3 结语
  试验结果验证了利用改进的系统制备出的PLGA纳米纤维,排列取向得到了提高。下一步工作将继续研究电机转速对纤维排列取向的影响,使电纺的PLGA纳米纤维质量更高,提升其在化工和电子、无机材料和生物医学等领域的应用价值。