1、文献综述应用化学通过静电纺丝技术制备导电高分子纳米纤维的研究进展摘要静电纺丝技术是一种新的技术，它可制备出直径为纳米级的纤维。由于本征态导电聚合物的难以加工性，静电纺丝制备导电聚合物的过程与普通聚合物的制备过程有显著的不同。本文综合介绍了静电纺丝制备纳米纤维的研究历史、基本原理及其影响因素。同时，重点介绍了静电纺丝制备导电聚合物纳米纤维的加工过程，并且对相应导电聚合物纤维的应用进行了介绍。关键词静电纺丝，纳米纤维，基本原理，影响因素随着纳米纤维技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸，模板聚合、相分离、自组织和静电纺丝等，而静电纺丝
2、技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。由于能直接、连续制备聚合物纳米纤维，因而成为国内外的研究热点。1静电纺丝研究历史静电纺丝可以认为是带电射流电雾化的一种变形1，当溶液的黏度较小时，射流在受到电场力的作用后破裂为许多细小的液滴，液滴的直径介于微米和纳米之间，目前电雾化技术主要应用于喷墨打印、喷漆、纳米离子的制备等领域；当液滴的黏度较大时，就会形成纤维。静电纺丝的研究历史最早要追溯到19世纪末。1882年，RAYLEIGH认为带电液滴能够稳定的条件是其带电量不能超过某一定值，这一数值称为RAYLEIGH极限2。1915年，ZELENY3介绍了调整液体的电荷与表面张力的比例关系，可以使喷嘴尖端
3、的小液柱失稳，进而分裂为离子或雾滴。1964年TAYLOR以完全导电的液体为例，做出了开拓性的研究工作4，他认为液体静电雾化时，喷嘴尖端会形成一锥形液柱，称为泰勒锥TAYLERCONE。此外，静电纺丝技术在1930年就有了专利,是人们早已知晓的一项技术5。20世纪90年代以来以美国为中心盛行关于纳米纤维形成机理和应用方面的研究,近年来日本也对其予以极大的关注。近年来人们之所以对静电纺丝感兴趣，主要是因为与传统纺丝方法相比，该方法可以很容易的得到连续的纳米级或微米级纤维，而该纤维在很多领域有着巨大的应用前景6,7。2静电纺丝基本原理静电纺丝的基本装置由高压电源、微量泵、注射器、针头、收集装置五部
4、分组成。其原理是对聚合物溶液或熔体施加几千到几万伏高压静电，当聚合物溶液或熔体内的电场力克服其表面张力时，在电场力作用下喷射形成一股稳定的射流，随着射流的牵伸与分裂，最后溶剂挥发或熔体固化后，高聚物纤维沉落在收集板上形成类似无纺布的微纳米纤维材料。3静电纺丝影响因素静电纺丝是制备超细纤维的一种技术，因此在表征静电纺丝产品时，直径是需要考察的最重要的性质，另外还有产品结构和性能。影响纤维直径、结构和性能的因素很多，主要包括纺丝过程因素和纺丝溶液性质，这两方面在纺丝过程中发挥着重要作用。下面就静电纺丝工艺参数对纤维的影响作简要介绍31过程因素静电纺丝过程中，纺丝电压、纺丝距离、纺丝液流量、喷丝头内
5、径、环境参数温湿度与大气压等都会对制备的纳米纤维产生直接的影响。比如在静电纺丝过程中，纺丝电压是一个非常重要的参数，它不仅在纺丝区域内形成纺丝电场，而且使纺丝液带电，这样随着电压的增加，纺丝液在喷丝头尖端经历从半球形泰勒锥射流的变化过程。随着电压增大，电场强度增加，纺丝液表面电荷密度增加，射流将会得到更大的静电斥力导致射流更强的分裂和更大的飞行速度，从而产生更高的拉伸比，因此所纺纤维直径降低。32溶液性质纺丝液性质包括浓度和黏度、纺丝溶剂、溶液表面张力引、高聚物分子量、添加物等属于溶液参数，其作用不亚于过程参数，将直接决定静电纺丝是否会发生并影响纤维性能。高聚物分子链间的相互纠缠以及分子间的相
6、互作用是形成纤维的必要条件并且影响着纤维的性质。4静电纺丝制备方法通常导电聚合物具有低分子量和刚性结构的特点，会妨碍通过静电纺丝技术制备纤维。因此，需要用各种各样的方法来处理导电聚合体使其能够达到静电纺丝的技术要求，这些方法概括如下41导电聚合物直接进行静电纺丝制备微纳米纤维原则上，导电聚合物应该能直接进行静电纺丝，然而，由于导电聚合物的难溶性，只有少数可溶解的导电聚合物可以直接用静电纺丝制备纳米纤维，例如用掺杂硫酸的聚苯胺PANI8，掺杂2丙烯酰胺基2甲基1丙烷磺酸AMPSA9的聚苯胺化翠绿亚胺EB和掺杂十二烷基苯磺酸DBSA10的聚吡咯PPY。尽管聚（P型苯乙烯）PPV是另一种重要的导电聚
7、合物，但它的难溶性使其难以通过静电纺丝制备纳米纤维，但是OKUZAKI11提出了一个独创的通过静电纺丝制备PPV纳米纤维的方法首先将可溶解的PPV前躯体（聚对二甲苯四氢噻吩鎓氯化物通过静电纺丝得到纳米纤维，随后在真空条件下加热到250并保持12H后，前躯体纤维转变成为PPV纳米纤维。42导电聚合物和其它聚合物的混合物的共纺导电聚合物和传统聚合物的混合物是更好的静电纺丝原料。传统聚合体可以辅助导电聚合体纤维的形成并且可以作为纳米纤维形成的支撑材料。然而需要说明的是，基体聚合物的选择和数量对最终产物的形态和性能起决定性作用，如果导电聚合物部分的量太少，则所得纤维的电导率较低，相反如果基体聚合物部分
8、的量太少，则静电纺丝的过程将会变得异常困难。在传统的聚合物里面，聚乙烯氧化物PEO是非常容易进行电纺的，因而广泛用于导电聚合物共混物的静电纺丝。通过改变导电聚合物和PEO在混合物中的比率，合成纳米纤维的电导率和直径可以得到很好的控制12。另外，导电聚合物纳米纤维中的小孔可以由PEO填充13。因为静电纺丝后的PANI/PEO纳米纤维具有较大的比表面积和统一的直径，所以可以作为化学传感器用于检测乙醇和氨气。43纤维模板法制备导电聚合物纤维纤维模板法是一种制备同轴导电聚合物纤维的方法。静电纺丝聚合体纳米纤维为多孔导电聚合体无纺织物的形成提供了一个结实稳定的模板，目前，有两个方法常被用于在多孔材料表面
9、制备导电聚合物，一个是气相聚合作用，另一个是溶液聚合作用。431气相聚合VDP在这个过程中，将包含具备聚合单体能力的氧化剂的模板基质放于一个充满气态单体的容器中。在模板的表面，气态单体被氧化成为导电聚合体。无机三价铁盐，例如FECL3，是一种传统的氧化剂并且可以通过PEO链中氧原子和本身FE3的协调作用与PEO形成一种联合体。常见的方法描述如下首先，通过静电纺丝制备包含FECL3的纳米纤维，然后将上述纳米纤维放置于气态叽咯中，叽咯单体被FECL3氧化得到PEO/PPY纳米纤维14、15。432溶液聚合作用在这个方法中，纳米纤维模板要浸入含有单体、氧化剂和掺杂酸的溶液中，单体同时沉降在模板表面形
10、成岩心外壳复合纳米纤维。总结在过去几年中，通过静电纺丝技术制备导电聚合物纳米纤维取得了飞速的发展，然而，我们仍然面对几个主要的问题第一，导电聚合物刚性结构的特性使得静电纺丝过程难以进行；第二，大多数关于静电纺丝制备导电聚合物纤维的研究和应用仅仅处于实验室阶段16，因此，必须通过更加深入的研究来探索静电纺丝技术制备聚合物纤维的最科学、最有效的方法，这将作为一个刺激，来实现在工业中大规模生产可控、可重复利用的静电纺丝聚合体纤维。参考文献1吴佳林，周美凤，张锋。静电纺纳米纤维的研究历史、基本原理及影响因素。陕西纺织，2010，3；5760。2RAYLEIGHLONTHEEQUILIBRIUMOFLI
11、QUIDCONDUCTINGMASSESCHARGEDWITHELECTRICITYJPLHILOSMAG,1882,14,1841863ZELENYJONTHECONDITIONSOFINSTABILITYOFLIQUIDDROPSWITHAPPLICATIONSTOTHEELECTRICALDISCHARGEFROMLIQUIDPOINTJPROCCAMBPHILSOC,1915,L871一834TAYLORGIDISINTEGRATIONOFWATERDROPSINANELECTRICFIELDJPROCROYSOC,1964,A280,3833975小村伸弥著,刘辅庭译。用静电纺丝开发
12、新型纳米纤维非织造布。产业用纺织品，2006,9。6吴佳林静电纺丝制备取向纳米纤维的研究进展。山东纺织科技，2010,5144850。7苏好,杜晓松,蒋亚东,靖红军。静电射流技术制备纳米材料的研究进展。材料导报,2009,23118589。8DHRENCKERANDICHUN,NANOTECHNOLOGY719962169NJPINTO,PCARRINANDJXQUINONES,MATERSCIENGA3662004110TKANG,SWLEE,JSJOOANDJYLEE,SYNTHMET15320056111HOKUZAKI,TTAKAHASHI,NMIYAJIMA,YSUZUKIANDTK
13、UWABARA,MACROMOLECULES392006427612MINGWEI,JUNSEOKLEE,BONGWOOKANG,JOEYMEADMACROMOLECULARRAPIDCOMMUNICATIONS,2005002121127113213ABIANCO,CBERTARELLI,SFRISK,JFRABOLT,MCGALLAZZIANDGZERBI,SYNTHMET157200727614SNAIR,SNATARAJANANDSHKIM,MACROMOLRAPIDCOMMUN262005159915IOANNISSCHRONAKIS,SVENGRAPENSON,ALEXANDRAJAKOBSCIENCEDIRECT2006,471597160316山下羲裕，刘辅庭（译），山田（校）。静电纺丝制造纳米纤维的方法。合成纤维，2008,3725052。
