静电纺制造丝纳米纤维和静电喷雾制造导电纤维

2018-07-04刘辅庭

现代丝绸科学与技术 2018年3期

关键词：丝素液滴导电

刘辅庭

(原上海市纺织科学研究院,200092)

1 从丝心蛋白质制造纳米纤维[1]

养蚕业的历史已有5千年。丝除了用作衣料外，还可用作功能性生物材料。成形性优的丝，用中性盐水溶液溶解时，可制成丝水溶液。经不同条件的干燥后，可获得薄膜、粉末、多含水的凝胶。

同样是天然蛋白质的毛角蛋白溶解时，要用还原剂，切断分子间的键合。但对人体具有亲和性的丝只要中性盐溶液的温和处理，就能取得高纯度的材料。

丝由结晶区和非结晶区构成。构成丝心蛋白的结晶区的主要氨基酸有甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸。其总量占全氨基酸的80%。非晶区有赖氨酸、组氨酸、精氨酸、谷氨酸等。绢丝的用途有琴丝、弦、脐带的缝合线、手术用缝合线。

溶解的绢丝制成的丝心蛋白水溶液经干燥固化制成的丝素膜，氧及水蒸汽的透过性能优良；生物细胞在丝素膜表面能有效附着并增殖，可用作细胞支架材料。

在丝心蛋白膜表面，血液难凝固，这表明丝心蛋白可用作人工皮肤、人工血管。

有聚合物溶液的喷嘴前端连接阳极板，距离喷嘴一定位置有阴极板，两极间加高电压时，从阳极向阴极产生静电引力。带正电荷的微细聚合物从喷嘴到阴极板，在阴极板的表面聚集成纳米纤维。

静电纺丝时，用中性盐水溶液溶解绢丝，透析后，丝心蛋白水溶液在聚乙烯膜表面形成丝膜，再用蚁酸溶解，制成丝素质量分数为8%、10%、15%的丝蚁酸溶液，在30 kV电压下进行静电纺丝。

丝纳米纤维的表面平滑，纤维直径和丝素质量分数有密切的关系。丝素质量分数为8%～15%时，取得平滑较细的纳米纤维。丝素质量分数不同时，纳米纤维的直径起变化。纺丝距离17、23 cm时，纳米纤维的形态差异不大。

纳米纤维作为产业材料，要求纳米纤维细而匀。丝具有亲水性、保湿性、生物降解性，可用于医疗。丝能吸收紫外线，可防止日晒。丝纳米纤维可期待用于滤材、衣料、医疗、保健、生物技术及能源行业。

丝纳米纤维的纺丝条件和纤维直径的关系如表1所示。如电压一定，纤维直径的差异不是由于纺丝距离而是丝素质量分数不同造成的。

表1 丝纳米纤维的纺丝条件和纤维直径

2 用静电喷雾技术合成金属纳米粒子和纤维的导电加工[2]

2.1 静电喷雾技术

静电喷雾法使液体微细化，再进行化学加工。液体的体积小到极限后，可缩短液体混合及温度控制所需的时间。迄今适用的化学反应控制分4类。

(1)静电喷雾的基本构成

送液喷嘴和电极间形成强电场，从送液喷嘴，液体试样进入强电场，形成喷雾。这时，液体试样细分成带电的直径为数微米的液滴，沿电场移动到电极，发生静电喷雾现象。液滴的电荷极性由喷嘴的电位决定，阳极喷嘴产生正电荷液滴，阴极喷嘴产生负电荷液滴。如向液体表面进行静电喷雾，极微液滴到达液体表面，发生两液混合，在同样环境可控制化学反应。

(2)气中喷雾

由静电喷雾产生的极微液滴带电荷，因此，可由电场控制移动。阴极、阳极的的静电喷雾喷嘴对向排列，喷嘴间形成橄榄球状的强电场时，从阳极喷嘴产生正电荷的液滴，从阴极喷嘴产生负电荷的液滴，由于正负液滴间的静电力，在电场的中央附近发生正负液滴间的碰撞混合。由此，极微体积的两种溶液可混合。

(3)液中喷雾

液中喷雾可改善气中喷雾。在导电率低的液体中，同样放置对向的阳极、阴极喷嘴，同样发生静电喷雾，由于正负液滴间的静电力发生碰撞混合，但碰撞混合后液滴可100%回收。在低导电率液体中，抑制放电，可控制静电喷雾，而且对高浓度溶液也可液中喷雾。极微液滴与低导电率液体之间有高界面比率，因此，两液混合的生成物可快速分离。

(4)界面反应场型喷雾

为制成金属纳米粒子分散液而设计界面反应场型喷雾。起反应的两种溶液之一作为极微液滴进行静电喷雾，另一溶液为与低导电率液体相形成界面的水溶液相时，从低导电率液体相向水相第二液体试样进行静电喷雾，在液液界面混合第二液体试样，反应很快完成，反应效率更高。界面反应场型喷雾是日华化学和产总研共同开发，已用于导电加工用的银纳米印墨分散液的生产。

2.2 界面反应场型喷雾制成银纳米粒子和制成导电纱

置还原剂和分散剂于下部的水中，硝酸银水溶液由喷嘴喷出极微液滴，到达水相界面。在界面银离子被还原成为银纳米粒子，分散在水中。生产效率有赖于金属离子水溶液的浓度和供给速度、分散稳定性。对导电影响大的分散剂，控制在最低用量。界面反应场型喷雾比气中、液中，制成金属纳米粒子(平均粒径17 nm)的效率高4倍以上。

常温常压下的简单装置使用多喷嘴可提高生产效率。与制造商共同开发，许多喷嘴并列，控制喷嘴附近的带电粒子以避免相互干扰，可进行高浓度喷雾。比当初的系统，生产效率提高500倍，可实现工业化生产。

银的熔点约962 ℃，纳米粒子熔点有降低的现象。浸入平均粒径10 nm的银粒子分散液，高耐热性芳香族聚酰胺纤维，经300 ℃热处理，能制成1 Ω·cm以下的导电纱。以导电纱为纬纱的织物洗后保持导电性。导电纱经通电发热，可用作柔软的发热体。

银纳米粒子的分散液可作为印墨填充笔，描在喷墨复印纸上时，不加热，画线也有导电性。用同样的方法，也易制成金、白金、氧化钨、氧化钼等的水分散物，也可制成钌/钯复合金属纳米粒子，应用范围广泛。