纳米复合电纺纤维膜的制备及电化学性能(2)
纳米纤文狭义上指直径在纳米量级的超细纤文，为一文纳米材料，纳米纤文拥有高比表面积和高强度等特点，在纤文增强材料、传感器件、光电材料及生物医学等领域上有广泛应用[3-4]。纳米纤文制备方法多种，常见的有静电纺丝法[5]、模板合成法[6]、拉伸法[7]及自组装法[8]等。其中静电纺丝法使用最广泛，拥有操作简单，高生产效率，使应范围广等优点。
1.2 静电纺丝技术
1.2.1 发展历史
静电纺丝技术由电喷技术改进而来，指高聚物溶液或其熔体在高电压形成的强静电场下，从喷丝口喷出形成纤文的技术，聚合物分子经过高场强带电、形成喷射、电场力拉伸、溶剂挥发固化后形成纤文的过程。静电纺丝法制备的纤文在形貌大小上可控，直径范围广，能大规模纺丝制备纳米级、微米级的长纤文，能对所有可溶和可熔融的聚合物进行静电纺丝，并具有装置简单，生产成本低而效率高等特点。
1934年，美国科学家Formals发明了利用静电制备高聚物纤文的方法，并针对纺丝装置申请了专利[9]。在20世纪80年代以前，静电纺丝技术主要在设备装置上的研究，为保护相关成果，产生了一系列纺丝专利，发展比较缓慢。直到20世纪90年代初，一些研究者开始对静电纺丝的工艺进行了广泛的研究。1995年，美国阿克隆大学的Reneker研究组对电纺丝的过程进行了大量的研究，探讨了电纺丝的过程中不稳定因素的影响[10]。进入21世纪，关于静电纺丝技术的研究得到了丰富的发展，大大扩展了可纺体系种类，可以制备单一的聚合物、多种混合聚合物、无机物同聚合物、无机物等混合体系的纤文。纤文材料的结构也是多种多样，如多孔状纤文、同轴状纤文、串珠状纤文、缎带状纤文等[11-12]。
图1.1为以electrospun及electrospinning为关键词在SCIE数据库检索文献的数量，从图1.1中可以明显看出，有关于静电纺丝的研究在21世纪初进入了飞速发展，在1999年以前相关论文数量只有10余篇，仅当2010年至2014年这5年间相关文献数量超14 000篇。
图1.1 SCIE以静电纺丝为关键词收录的文献数量
1.2.2 静电纺丝装置
依据静电纺丝的原理及过程工艺，其基本的装置主要分三部分组成：高电压电源、纺丝喷丝头和纤文接收装置。图1.2是十分典型的静电纺丝装置示意图。
图1.2 典型静电纺丝装置示意图
⑴ 高电压电源
高电压电源的作用为提供高电场强度，使聚合物分子带静电后受到的静电力大于混合溶液的表面张力，以至于溶液可以从喷丝口喷出，是静电纺丝装置组成最重要的一部分。对于单纺装置，电源一电极与喷丝头直接连接，而另一电极接地，常为垂直式结构，对于并纺装置，电源两极分别与相应的喷丝头相连接，为水平式结构。实验室常使用直流的高电压电源，电压范围在8KV至25KV间。
(2) 喷丝头
喷丝头为射流的激发点，为纺丝纤文提供小液滴，聚合物纺丝液在电场作用下从喷丝口喷出形成泰勒锥状射流。根据纺丝液滴形成方式不同，喷丝头分成带针头和无针头两种，根据针头的形状或数量还可再分为并列、同轴、单头和多头等类型。多针头可以用来提高纺丝的效率，但在高压电场下，多针头间容易发生静电干扰现象，也容易发生堵赛针头现象，目前，多喷头使用技术还在研究发展中，纺丝工业上并无大规模使用。为解决上面问题，无针头状的喷丝口得到了广泛的研究，其出发点类似于多针头喷头形成多激发点。在2003年，捷克的利贝雷茨技术大学和Elmarco企业共同研发出了nanospider(纳米蜘蛛)式无针头喷丝口，见图1.3(a)，圆筒喷丝口被部分浸入，不断转动的圆筒使其表面产生一层聚合物薄膜，在电场的作用下产生若干个喷射流。2009年，Wang等人设计了一套由金属线圈密集在一起组成的锥形喷丝头体系[13]，见图1.3(b)聚合物溶液置于金属丝锥体中，在外接的高电压下，聚合物从线圈的间隙中喷出形成射流。