静电纺丝纳米纤维的制备研究

朱彩红 石培峰 吕张飞 胡迎春 汪成伟

摘 要：静电纺丝的纳米纤维具有高孔隙率和大比表面积等优点，但是其纤维的排列取向影响着纳米纤维的质量及其在不同领域的应用价值。文章基于静电纺丝原理，改进了静电纺丝装置中的接收器，通过试验验证了该装置的有效性，取得了预期的效果。

关键词：静电纺丝；纳米纤维；PLGA；扫描电镜；纤维取向

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。