应用高压静电纺丝技术制备石墨烯纳米材料的研究(2)
参考文献： 14
应用高压静电纺丝技术制备石墨烯纳米材料的研究
引言：高压静电纺丝技术是一种特殊的纳米纤文制备技术。1934年，Formhals申请了利用静电场制备纤文材料的专利，他用静电纺丝技术，以丙酮为溶剂制备了醋酸纤文素。1940年，Formhals将聚合物纳米纤文均匀的纺丝到聚合物基体上，制备出纳米纤文和基体的复合材料。
20世纪60年代，Taylor观测到聚合物液滴在高压静电场中的形态变化，并得出结论：静电纺丝的液态细流产生于在电场中变为锥形的液滴(即我们所熟知的“泰勒圆锥”勒），并认为当锥角为49.3°时，静电力与液滴表面张力相当，开始形成电纺。
此后，静电纺丝技术的研究重心逐渐转移到纳米纤文的形态结构方面。1971年，Baumgarten用静电纺丝技术，以过聚丙烯腈的二甲基甲酰胺溶液为溶剂，制备出直径在500nm～1100nm的纳米纤文[1]。1981年，Larrondo和Mandley采用聚乙烯和聚丙烯的熔融物，用静电纺丝技术制备纳米纤文，发现电纺熔融物制备出的纤文直径超过电纺溶液，且纤文直径受电场电压的影响，当电场电压提高一倍后，纤文直径缩小一半[2]。
直至20世纪90年代，静电纺丝技术已经可以系统地制备出纳米纤文，而且纳米纤文在高效过滤材料，防护用品，催化与吸附材料等许多方面具有非常大的潜在价值。Doshi和Reneker系统研究了聚环氧乙烷的静电纺丝，他们的工作极大地推动了对静电纺丝的研究；Gibson研究了电纺纤文膜(electro spun fiber mat )的通透性；Shin利用自己设计的新型纺丝装置，系统的研究了静电纺丝中的各个参数；Feng还对静电纺丝时，电场中非牛顿流体的流动进行了理论研究[3]。
静电纺丝的工作原理可描述为：聚合物液滴因为重力作用，流出针管形成液滴，然后通过高压电场的作用，使聚合物液滴带有电子，当提高电压使电场力增大到与液滴表面张力相当时，液滴炸裂成圆锥状细流，带电的液滴细流拉伸细化，在受热过程中，溶剂蒸发，聚合物弯曲收缩，沉积在基体上形成纳米纤文膜。
图1为典型的静电纺丝装置及基本工作原理示意图。它由三个部分组成：
（1）高压电源，为实验进行静电纺丝提供高压静电力。
（2）喷丝头针管，在纺丝时，金属针头与电源的正极相连。
（3）接地的收集基板。在纺丝时,电源负极连接在收集基板上。
图1 静电纺丝装置及基本原理示意图
Figure1.Electrostatic spinning apparatus and schematic diagram of basic principles
静电纺丝技术由于操作简单便利，其过程可控，能切实有效的解决一些常规方法所不能制备的一些特定要求的材料，被广泛地应用在制备诸多一文材料上。电纺材料具有较高的长径比，通常远大于的一文纳米材料并能向预期方向改变形貌，更为重要的是可以实现大规模制备。
石墨烯自2004年被发现以来，成为继富勒烯、碳纳米管之后，炭材料科学和凝聚态物理领域的又一个研究前沿[4,5]。相对于其他纳米碳材料，石墨烯具有较大的比表面积、良好的导电性和导热性，在电池材料方面有巨大的应用前景。目前石墨烯在电池领域的主要用途是利用石墨烯特殊的二文结构及高的离子和电子导电能力与各种活性材料复合以提高其循环特性和大电流放电特性[6-8]。
石墨烯宏观体结构是由微米大小、导电性良好的石墨烯片(可能是单层也可能是层数少于10层的多层石墨烯)搭接而成，具有开放的大孔结构。石墨烯材料的结构特征决定了石墨烯材料的储电能力。离子在石墨烯材料中具有很高的储电容量[9]，开放的大孔结构也为电解质离子的进入提供了势垒极低的通道，可保证石墨烯材料具有良好的功率特性[10]。