纳米科学与技术丛书序 - ecsponline.com ·...

laquo纳米科学与技术raquo丛书序

在新兴前沿领域的快速发展过程中及时整理归纳出版前沿科学的系统性

专著一直是发达国家在国家层面上推动科学与技术发展的重要手段是一个国家

保持科学技术的领先权和引领作用的重要策略之一科学技术的发展和应用离不开知识的传播我们从事科学研究得到了ldquo数

据rdquo(论文)这只是ldquo信息rdquo将相关的大量信息进行整理分析使之形成体系并付

诸实践才变成ldquo知识rdquo信息和知识如果不能交流就没有用处所以需要ldquo传播rdquo(出版)这样才能被更多的人ldquo应用rdquo被更有效地应用被更准确地应用知识才能

产生更大的社会效益国家才能在越来越高的水平上发展所以数据rarr信息rarr知

识rarr传播rarr应用rarr效益rarr发展这是科学技术推动社会发展的基本流程其中知识的传播无疑具有桥梁的作用

整个２０世纪我国在及时地编辑归纳出版各个领域的科学技术前沿的系列

专著方面已经大大地落后于科技发达国家其中的原因有许多我认为更主要的

是缘于科学文化的习惯不同中国科学家不习惯去花时间整理和梳理自己所从事

的研究领域的知识将其变成具有系统性的知识结构所以很多学科领域的第一

本原创性ldquo教科书rdquo大都来自欧美国家当然真正优秀的著作不仅需要花费时间

和精力更重要的是要有自己的学术思想以及对这个学科领域充分把握和高度概

括的学术能力纳米科技已经成为２１世纪前沿科学技术的代表领域之一其对经济和社会发

展所产生的潜在影响已经成为全球关注的焦点国际纯粹与应用化学联合会

(IUPAC)会刊在２００６年１２月评论ldquo现在的发达国家如果不发展纳米科技今后

必将沦为第三世界发展中国家rdquo因此世界各国尤其是科技强国都将发展纳米

科技作为国家战略兴起于２０世纪后期的纳米科技给我国提供了与科技发达国家同步发展的良

好机遇目前各国政府都在加大力度出版纳米科技领域的教材专著以及科普读

物在我国纳米科技领域尚没有一套能够系统科学地展现纳米科学技术各个方

面前沿进展的系统性专著因此国家纳米科学中心与科学出版社共同发起并组

织出版laquo纳米科学与技术raquo力求体现本领域出版读物的科学性准确性和系统性全面科学地阐述纳米科学技术前沿基础和应用本套丛书的出版以高质量科学

性准确性系统性实用性为目标将涵盖纳米科学技术的所有领域全面介绍国

内外纳米科学技术发展的前沿知识并长期组织专家撰写编辑出版下去为我国

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纳米科技各个相关基础学科和技术领域的科技工作者和研究生本科生等提供一

套重要的参考资料这是我们努力实践ldquo科学发展观rdquo思想的一次创新也是一件利国利民对国家

科学技术发展具有重要意义的大事感谢科学出版社给我们提供的这个平台这不仅有助于我国在科研一线工作的高水平科学家逐渐增强归纳整理和传播知识

的主动性(这也是科学研究回馈和服务社会的重要内涵之一)而且有助于培养我

国各个领域的人士对前沿科学技术发展的敏感性和兴趣爱好从而为提高全民科

学素养做出贡献我谨代表laquo纳米科学与技术raquo编委会感谢为此付出辛勤劳动的作者编委会委

员和出版社的同仁们同时希望您尊贵的读者如获此书开卷有益

中国科学院院长

国家纳米科技指导协调委员会首席科学家

２０１１年３月于北京

有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维

前　　言

高压静电纺丝技术简称电纺是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细

纤维及其无纺布的重要方法到现在为止通过此技术已经实现了直径由几纳米

到数百纳米范围内近百种不同聚合物纳米纤维各种类型聚合物无机物复合纳米

纤维及无机纳米纤维的制备由高压静电纺丝技术所制备的纳米纤维材料已经在

光电子传感器电化学电极催化剂环境和生物医学等领域展现出了极大的应用

潜力这些领域的发展也将从多方面影响到我们的日常生活例如利用高压静

电纺丝技术制备的纳米纤维膜可以净化空气从而有效地保护环境利用高压静

电纺丝材料可以快速有效地实现伤口愈合可以促使骨头神经等细胞快速和可控

生长更好地保护我们的身体健康高压静电纺丝技术的研究主要包括高压静电纺丝的基本原理纤维材料的合

成结构表征性质研究及应用开发在过去十几年的时间里有关高压静电纺丝

方面的研究论文已经发表了４０００篇以上并且这个数字还在快速地增加参与此

书编写的课题组都在一直从事高压静电纺丝技术的研究在聚合物纳米纤维聚合

物无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维的制备方法以及高压静电纺丝纳米纤维

的结构调控等方面具有丰富的研究经验在高压静电纺丝纤维材料的应用研究方

面也做了较多的工作为了普及和推广高压静电纺丝技术本书综述了我们近年

来研究工作的一些进展并对国内外高压静电纺丝技术的研究进行了总结和概括我们希望本书不仅可以为专门从事高压静电纺丝技术的科学家提供帮助更希望

它能够成为具有不同专业背景的更广泛的读者群体了解高压静电纺丝技术的一个

窗口由于高压静电纺丝技术主要用来制备聚合物纳米纤维材料因此本书命名为

laquo有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维raquo但是为了使读者能够更

多地了解高压静电纺丝技术制备的各种纤维材料我们在本书中将利用静电纺丝

技术制备的聚合物无机物复合纳米纤维及无机纳米纤维也介绍给大家本书的

主要框架如下第１章是高压静电纺丝技术导论包括高压静电纺丝技术基本概

念发展历史及高压静电纺丝技术展望第２章主要介绍高压静电纺丝过程及纺

丝的基本原理包括高压静电纺丝基本装置溶液电纺以及熔体电纺的基本过程静电纺丝过程基本理论等第３章介绍高压静电纺丝材料的结构特征包括无纺

布形式串珠结构缎带状结构多孔结构阵列结构同轴结构以及多级结构形式

静电纺丝纳米纤维的制备方法和形态特征第４章介绍高压静电纺丝技术制备天

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然高分子纳米纤维包括透明质酸海藻酸钠天然纤维素明胶胶原蛋白以及其

他天然高分子纳米纤维材料第５章介绍了高压静电纺丝技术制备合成聚合物纳

米纤维包括不同种类聚合物静电纺丝纳米纤维的制备过程还包括了聚合物纳米

纤维的基本性能第６章讨论高压静电纺丝技术制备聚合物无机物复合纳米纤

维主要包括不同合成方法也涉及复合材料基本性质的研究第７章主要介绍高

压静电纺丝技术制备无机纳米纤维材料包括无机纳米纤维形貌的控制晶体结构

的控制及基本性能研究第８章主要介绍静电纺丝技术的应用研究包括在模板

剂过滤器纳米电子器件电池及电极材料传感器催化剂环境清洁及生物医学

等领域的一系列应用由于本书各章甚至部分节的稿件是分头撰写的虽然我们在最后整理的时候

对全书内容及结构进行了适当的调整但难免会有一些重复和不一致的地方敬请

读者见谅感谢刘新才李响晁单明等对全书进行了内容格式等方面的校正最后感谢国家自然科学基金委员会科技部等对我们这些年工作的大力支持

作　者

２０１１年５月


目　　录


前言

第１章　绪论１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

１１　引言１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

１２　高压静电纺丝技术发展的历史１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　１２１　电喷技术１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　１２２　静电纺丝技术４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

１３　高压静电纺丝技术展望７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第２章　高压静电纺丝概述１０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

２１　高压静电纺丝基本装置１０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２１１　高压电源１０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２１２　喷丝头１２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２１３　接收装置１５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

２２　高压静电纺丝基本过程１８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２２１　喷射流初始运动阶段１８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２２２　喷射流摆动非稳定阶段１８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

２３　高压静电纺丝分类１９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２３１　溶液静电纺丝１９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２３２　熔体静电纺丝２０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

２４　高压静电纺丝基本理论２２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２４１　初始阶段稳定性理论分析２２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２４２　螺旋摆动阶段非稳定性理论分析２３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　２４３　喷射流半径变化理论分析２４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献２５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第３章　高压静电纺丝材料的结构特征２９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３１　无纺布形式静电纺丝纤维２９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３１１　聚合物参数对静电纺丝纤维形态影响３０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３１２　溶剂参数对静电纺丝纤维形态影响３６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３１３　溶液参数对静电纺丝纤维形态影响３８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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　　３１４　控制参数对静电纺丝纤维形态影响４４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３２　串珠结构静电纺丝纳米纤维４８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３３　缎带状结构静电纺丝纳米纤维５０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３４　多孔结构静电纺丝纳米纤维５２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３５　阵列结构静电纺丝纤维mdashmdashmdash纤维取向的分类方法与形态特征５３helliphelliphellip

　　３５１　滚筒飞轮法５４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３５２　辅助电场电极法５７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３５３　框架法５９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３５４　平行板电极法６０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３５５　水面接收屏方法６４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３５６　正负高压双喷丝头法６６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３６　同轴结构静电纺丝纤维６８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３６１　同轴静电纺丝装置６８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　３６２　同轴静电纺丝纤维形态６９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

３７　多级结构静电纺丝纳米纤维７６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献８０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第４章　高压静电纺丝技术制备天然高分子纳米纤维８６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４１　天然高分子概述８６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４２　透明质酸纳米纤维８７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４２１　透明质酸的静电纺丝８８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４２２　透明质酸纳米纤维的交联９０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４２３　透明质酸基纳米纤维的应用９１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４３　海藻酸钠纳米纤维９３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４３１　基于海藻酸钠混合溶液的静电纺丝９３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４３２　海藻酸钠水溶液的静电纺丝９４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４３３　天然高分子水溶液静电纺丝机理探讨９５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４４　天然纤维素纳米纤维９６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４４１　纤维素静电纺丝的溶剂体系９６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４４２　纤维素静电纺丝９７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４４３　静电纺丝对纤维素晶型的影响研究９８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４５　明胶纳米纤维１００helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４６　胶原蛋白基纳米纤维１０２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

４７　其他天然高分子纳米纤维材料１０４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４７１　甲壳素和壳聚糖１０４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　４７２　丝素蛋白１０４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip


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参考文献１０４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第５章　高压静电纺丝技术制备合成聚合物纳米纤维１０７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

５１　引言１０７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

５２　合成聚合物纳米纤维的种类１０８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５２１　普通聚合物纳米纤维１０８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５２２　生物高分子纳米纤维１１６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５２３　多组分聚合物纳米纤维１２６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

５３　聚合物纳米纤维的基本性能１３１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５３１　力学性能１３１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５３２　光学性能１３４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５３３　电学性能１３７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　５３４　表面浸润性质１３８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献１４３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第６章　高压静电纺丝技术制备聚合物无机物复合纳米纤维１４９helliphelliphelliphelliphelliphellip

６１　引言１４９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

６２　聚合物无机物复合纳米纤维的种类１５１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６２１　聚合物金属复合纳米纤维１５１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６２２　聚合物碳纳米管复合纳米纤维１６５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６２３　聚合物氧化物复合纳米纤维１６８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６２４　聚合物金属硫族化合物复合纳米纤维１７６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６２５　其他类型聚合物无机物复合纳米纤维１８０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

６３　聚合物无机物复合纳米纤维基本性质１８１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６３１　力学性能１８１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６３２　热学性能１８３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６３３　光学性能１８４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６３４　电学性能１８６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　６３５　磁学性能１８８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

６４　展望１８９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献１９０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第７章　高压静电纺丝技术制备无机纳米纤维材料１９５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７１　引言１９５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７２　无机纳米纤维的静电纺丝制备法１９７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７２１　无机纳米纤维的制备步骤１９７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７２２　前驱体溶胶的类型１９７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７２３　纺丝过程的控制１９８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

目　　录

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　　７２４　无机纤维的控制１９９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７３　无机纳米纤维的种类１９９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７３１　氧化物纳米纤维２０２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７３２　金属纳米纤维２０９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７３３　钙钛矿型复合氧化物纳米纤维２０９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７３４　多组分无机纳米纤维２１０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７３５　其他无机结构陶瓷纤维２１１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７４　无机纳米纤维形态分析２１１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４１　简单的无机纳米纤维２１１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４２　异质结构的纳米纤维２１２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４３　简单珠状纤维２１３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４４　核Ｇ壳结构复合纳米纤维２１４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４５　肩并肩双组分纤维２１５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４６　单向排列的纳米纤维２１５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４７　枝状异质结构纤维２１６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７４８　介孔结构无机纳米纤维和无机中空纤维２１６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７５　无机纳米纤维的晶体结构控制２１９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７６　无机纳米纤维基本性质２２２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７６１　光学性质２２２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７６２　电学性质２２３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　７６３　磁学性质２２５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

７７　展望２２６helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

参考文献２２７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

第８章　高压静电纺丝技术制备纳米纤维材料的应用研究２３１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８１　引言２３１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８２　模板剂２３２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８２１　静电纺丝模板制备空心纳米管２３２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８２２　静电纺丝诱导排列零维材料２３５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８２３　静电纺丝作为刻蚀技术的模板２３７helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８３　过滤器２３９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８４　纳米电子器件２４１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８４１　纳米导线２４１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８４２　场效应晶体管２４５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８５　电池和电极材料２４９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８５１　电池材料２４９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip


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　　８５２　电极材料２５３helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８６　化学及生物传感器２５４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８６１　化学传感器２５４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８６２　生物传感器２６５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８７　催化剂２６８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８７１　化学催化剂２６８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８７２　电化学催化剂２７０helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８７３　光催化剂２７２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８８　环境清洁２７５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８８１　静电纺丝纳米纤维吸附重金属离子２７５helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８８２　静电纺丝纳米纤维去除有机污染物２７８helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８８３　静电纺丝纳米纤维超疏水界面２７９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

８９　生物及医学应用２８２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８９１　纳米纤维载药与药物的控制释放２８２helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８９２　生物敷料２９１helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８９３　组织工程２９４helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

　　８９４　静电纺丝纳米纤维酶固定化研究２９９helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

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目　　录

书书书

第１章　绪　　论

卢晓峰　王　策

１1049008１　引　　言

２０世纪末以来纳米技术的概念逐渐家喻户晓目前纳米材料已经越来越

广泛地出现在人们实际工作和生活中给人们的生活带来了日新月异的变化纳

米材料和技术是一门研究范围十分广阔研究内容十分丰富的学科按基本结构单

元纳米材料可以分为零维一维及二维结构零维及二维纳米结构材料研究较

早而一维纳米结构材料的研究起步相对较晚１９９１年日本科学家饭岛澄男(S1049008Iijima)等发现了碳纳米管一维纳米结构材料才开始得到广泛研究[１]而其他种

类的一维纳米结构材料被发现得更晚一些如半导体一维纳米结构材料是从１９９８年才开始发展的到目前为止一维纳米结构材料的研究发展迅速并且已经实现

了在纳米电子器件光学器件传感器及生物医学等领域的应用一维纳米结构材

料的制备方法有很多如气相沉积法模板法水热及溶剂热合成方法等[２]其中高压静电纺丝技术是一种简单有效制备一维纳米结构材料的方法目前通过高

压静电纺丝技术已经实现上百种高分子无机及复合一维纳米结构材料的制

备[３４]通过高压静电纺丝技术制备的一维纳米结构材料的种类也越来越多包括纳米纤维纳米管纳米棒纳米螺旋及多层次一维纳米结构材料等其中纳米纤

维依然是高压静电纺丝技术中最直接和最重要的产品高压静电纺丝技术与纳米

纤维在纳米科技领域占有越来越重要的位置因此研究和开发高压静电纺丝技

术及其一维纳米结构材料的应用已经成为各国科学家们广泛关注的课题

１1049008２　高压静电纺丝技术发展的历史

１1049008２1049008１　电喷技术

　　高压静电纺丝技术简称静电纺丝或者电纺丝确切地说电纺丝技术是从电

喷技术发展演化而来的电喷技术是指在高压静电场下导电液滴能够发生高速

喷射的现象电喷技术起源较早可以追溯到１８８２年Rayleigh[５]开拓性的雾滴静

电化研究Rayleigh研究了到底需要多少电荷才能够克服液滴的表面张力使液滴

劈裂的问题他认为要想破坏液滴的平衡状态必须使电场力加大到超过液滴的

表面张力从而使大的液滴劈裂成大量的带电小液滴这种现象被称为ldquo瑞利不稳

定(Rayleighinstability)rdquo随后关于液体电喷现象的研究逐步开展起来１９１５年Zeleny[６]以毛细管末端液滴为研究对象提出了液滴内压与外界施加压力相等

是液滴发生不稳定现象的必要条件而且他还研究了不同种类的液体在电喷过

程中出现不稳定现象时所加电压的大小研究结果表明表面张力越高的液体出

现弯曲不稳定现象时需要的电压就越高[７]Wilson和 Taylor[８]则以肥皂泡为研

究对象随着高压电场的增加肥皂泡被逐渐拉长最终破裂喷射出液滴１９５２年Vonnegut和 Neubauer[９]发明了一种简单的电喷离子化装置可以产生直径为

０1049008１mm的高度电气化的均匀液滴具体方法是首先将玻璃管拉成直径为几十

毫米的毛细管然后装入水或者其他液体最后将高压电源(５~１０kV)的电线插

到液体中１９５５年Drozin[１０]等研究了利用电喷技术制备气溶胶的过程他们使

用与 Vonnegut和 Neubauer类似的电喷装置发现了某些特定的液体在适当的条

件下能够从细的喷丝管喷出形成由相对均匀液滴组成的气溶胶从１９６４年开

始Taylor发表了一系列文章研究了液滴在电场力作用下的喷射行为[１１~１３]他

认为在电场中的液滴主要受到两种力的共同作用电场力和表面张力随着电场

力的增加液滴逐渐被拉长当所施加的电场力的数值与液滴的表面张力相等时液滴就形成了顶角为４９1049008３deg的圆锥这种圆锥被命名为ldquo泰勒锥rdquo

如前面介绍利用电喷技术可以获得相对均匀的液滴根据这种原理如果在

溶剂中溶有聚合物分子在电喷的过程中随着溶剂的挥发就有可能形成单分散

微米或者纳米聚合物球Reneker等[１４]以聚氧化乙烯(polyethyleneoxidePEO)为研究对象以水为溶剂研究了其在高压静电场中的喷射行为他们发现所得到

的聚合物的形貌与溶液的黏度有很大的关系当溶液黏度为１３cP① 时所制备的

大部分为分散较好近似球形的PEOPEO球的直径为４００~５００nm当然也有

少量短的纤维出现在产品中然而随着PEO量的增加即溶液的黏度逐渐加大产物的形貌逐渐由球形向纤维转变当溶液的黏度增加到１２５０cP时所得到的基

本上都是纤维状的PEO为了得到单分散的聚合物微纳米球Costa等[１５]详细研

究了聚苯乙烯(polystyrenePS)的电喷行为由于聚合物溶液的黏度与聚合物的

相对分子质量及浓度都有很大的关系他们选择了不同相对分子质量的PS为研

究对象当使用相对分子质量为６３００的 PS配制纺丝溶液时溶液的浓度达到

２０wt②时可以形成较好形貌的PS微球微球平均直径为７４５nm当使用相对

分子质量为１１００００的PS进行电喷时溶液浓度减小到１wt左右时才能得到分

1048944２1048944 有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维

①

②

厘泊非法定单位１cP＝１０－３Pa1048944s非法定单位 wt为重量百分表示无量纲量质量分数

散较好的PS微球而且PS微球尺寸与电喷溶液浓度也有很大关系随着溶液

浓度的降低PS微球的尺寸逐渐减小Okuyama等[１６]系统地研究了聚乙二醇

(poly(ethyleneglycol)PEG)聚乙烯基吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidonePVP)及聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)PMMA)的电喷行为研究结果

显示聚合物微球直径不仅与聚合物浓度有关系而且与电喷过程中溶液的流速有

很大关系对相对分子质量为２００００的PEG来说当溶液浓度由３1049008７５wt增加

到１１1049008５４wt时聚合物微球直径由１1049008４８~１1049008７３μm 增加到２1049008１８~２1049008５２μm而

对于相同浓度的PEG溶液(１１1049008５４wt)当溶液流速由２μLmin增加到８μL

min时聚合物微球的直径由１1049008３７~１1049008５９μm 变化到２1049008１８~２1049008５２μm对于PVP和PMMA也得到了类似的实验结果在电喷的过程中如果使用极易挥发的溶

剂会出现在泰勒锥形成之前溶剂就已经挥发掉的问题这样带来的结果是聚合物

阻塞了喷头使电喷行为不能够正常进行Larsen等[１７]采用同轴电喷的技术解决

了这个问题与普通电喷装置不同同轴电喷采用同轴双层管作为喷头内层管中

装有聚合物溶液外层管中装有相对应的饱和溶剂的惰性气体这样在电喷的过程

中就可以避免由于溶剂挥发过快而不能够形成泰勒锥的问题利用同轴电喷技术

不仅可以制备聚合物的微纳米球而且可以制备无机氧化物或者有机无机复合微

纳米球甚至可以制备相对应的聚合物无机氧化物或者有机无机复合微纳米空

心球利用电喷技术制备单分散聚合物微纳米球可以应用在很多领域尤其是在药

物缓释方面相对于传统的乳液方法负载药物电喷技术显示了其独特的优点首先利用电喷技术可以简单有效地将药物分散到聚合物基体中如果使用同轴电喷

技术还可以将药物密封在聚合物球的内部其次利用电喷技术可以较好地控制聚

合物微球的尺寸有效调节药物释放速率再次利用电喷技术还可以实现聚合物

负载药物的大规模制备为工业化生产提供了一个非常好的平台目前电喷技术

已经应用到许多生物相容性的高分子微纳米球的制备和负载药物的研究中这其

中以聚乳酸Ｇ羟基乙酸共聚物(poly(lacticＧcoＧglycolicacid)PLGA)研究得最多

PLGA是由乳酸和羟基乙酸随机聚合而成是一种可降解的功能高分子有机化

合物具有良好的生物相容性无毒良好的成膜性能以及降解后产生酸性环境

等被广泛应用于制药医用工程材料和现代化工业领域而且PLGA 具有非

常好的溶解性它能够溶解在许多普通的有机溶剂当中如四氢呋喃丙酮或乙

酸乙酯等Xie等[１８]详细研究了 PLGA在丙酮中的电喷行为考察了聚合物溶

液浓度载药量表面活性剂用量有机盐及电喷电压等条件对 PLGA形貌的影

响通过调节这些条件可以得到 PLGA 的实心球坍塌球及其他不规则球体

(图１1049008１)

1048944３1048944第１章　绪　　论

图１1049008１　利用电喷技术制备聚合物微球的机理

(a)溶剂快速挥发(b)溶剂缓慢挥发[１８]

１1049008２1049008２　静电纺丝技术

静电纺丝技术是指聚合物熔体或者溶液在高压静电场作用下形成纤维的过

程与电喷技术形成的是单分散微米或者纳米聚合物球不同静电纺丝技术是通

过使带有电荷的高分子熔体或者溶液在高压静电场中喷射拉伸劈裂固化或者

溶剂挥发最终形成纤维状物质的过程是目前制备一维纳米结构材料的重要方法

之一[１９~２１]该技术首先由Formhals[２２~２５]在１９３４年开始的一系列专利中进行报

道他以乙酸纤维素为研究对象详细阐述了溶液的性质对收集板上带电纤维的影

响静电纺丝技术装置主要由高压电源喷丝头及接收板３部分组成(图１1049008２)其中高压电源一般使用能够产生几千到十几万伏特的直流电源用以产生高压静

电场喷丝头可以使用带有注射器针头的塑料管金属管及玻璃管等喷丝嘴直径

一般为０1049008１~１mm接收板用来接收经溶剂挥发或者熔体固化后所形成的聚合

物纤维一般采用导电金属板硅片导电玻璃等当然如果需要得到具有特殊排

列的聚合物纤维还可以采用滚筒金属框架等特殊接收板尽管从１９３４年开始

人们就已经利用静电纺丝技术来制备聚合物纤维但是这方面的研究却还很少直

1048944４1048944 有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维

到１９６６年Simons[２６]在专利中叙述了利用静电纺丝技术制备超细超轻无纺布的

实验装置他发现通过静电纺丝技术制备的纤维与溶液的黏度有很大关系当溶

液黏度较低时得到的纤维长度较短而当溶液的黏度增大后纤维变得相对连续但是纤维的直径依然很大１９７１年Baumgarten利用高压静电纺丝技术制备了

丙烯酸树脂纤维纤维直径为００５~１μm[２７]他们还考察了纤维直径与溶液黏

度溶液加料速度射流长度及环境气体组分之间的关系１９７２年Simm 等[２８]发

表专利报道其制备了直径小于１μm 的聚合物纤维１９８１年Larrondo和 ManＧley[２９~３１]以熔融聚乙烯和聚丙烯体系为研究对象通过静电纺丝技术制备了直径

为５０μm左右的纤维他们详细研究了电场强度熔融体黏度喷口直径等对纤维

直径的影响结果表明增加电场强度或者熔融体的温度都能够使纤维直径降低而喷丝嘴直径对纤维直径没有明显的影响

图１1049008２　典型静电纺丝装置

到２０世纪９０年代人们对高压静电纺丝技术的研究热情开始重新点燃

１９９６年Reneker小组[３２]报道其实验室利用溶液或者熔融静电纺丝技术制备了超

过２０种聚合物微纳米纤维这些纤维的直径为４０~２０００nm他们不仅研究了大

量聚合物的静电纺丝过程还对静电纺丝机理进行了探讨提出了高压静电纺丝技

术的弯曲不稳定机理[３３]他们利用一个高速照相设备观察带电聚合物溶液从喷

丝头到接收板的整个运动过程发现带电射流从喷丝头开始喷出后首先以近似直

线的方向前进当带电射流拉伸至一定距离时在电场力的作用下就会发生不稳定

1048944５1048944第１章　绪　　论

弯曲然后沿着循环或者螺旋路径行走由于带电射流的进一步拉伸从而使带电

射流变细在这个过程中高分子溶液或者熔融体分别发生溶剂挥发和固化最终

在接收板上形成类似无纺布状的纳米纤维膜利用静电纺丝技术制备的无纺布形

式的聚合物纳米纤维膜的典型形貌如图１1049008３所示

图１1049008３　利用静电纺丝技术制备的聚丙烯腈纳米纤维扫描电镜照片

除了聚合物纳米纤维外利用高压静电纺丝技术结合煅烧的方法还可以实现

无机物一维纳米结构材料的制备２００２年韩国 Kim 课题组[３４]通过静电纺丝技

术制备了聚乙烯醇(polyvinylalcoholPVA)SiO２复合纳米纤维然后通过煅烧

的方法制备了无定形 SiO２纤维纤维的直径为２００~４００nm２００３年Li和

Xia[３５]将PVP与 TiO２溶胶共纺然后煅烧制备了 TiO２纳米纤维随后通过利

用同轴静电纺丝装置他们还制备了 TiO２纳米管[３６]其他种类的氧化物纳米纤

维如ZnOSnO２CuOFe２O３Co３O４NiOIn２O３ZrO２等也可以通过结合高压

静电纺丝技术和煅烧制备出来[３７３８]除了氧化物纳米纤维金属纳米纤维可以通

过先电纺然后在氢气中还原煅烧的方法来制备[３９]高压静电纺丝技术除了可以实现聚合物及无机物一维纳米结构材料的构筑

它的另一个重要的优点是可以非常容易地将多种组分共同集成在同一根纤维中从而制备复合纳米纤维利用静电纺丝技术可以实现聚合物聚合物聚合物无

机物及无机物无机物复合纳米纤维的制备这些复合纳米纤维的可控构筑赋予

1048944６1048944 有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维

了材料更加丰富的性质也使其应用范围扩大到人们日常生活的各个方面[４０]

１1049008３　高压静电纺丝技术展望

在过去的十几年里高压静电纺丝技术以其简单通用容易操控等优点已经

成为制备一维纳米结构材料的代表性技术目前利用高压静电纺丝技术不仅可

以实现多种材料一维纳米结构的构筑包括聚合物无机物聚合物聚合物复合材

料聚合物无机物复合材料及无机物无机物复合材料等而且可以实现纳米结构

的尺寸形貌可调可控各种各样由静电纺丝技术制备的一维纳米结构材料得到

发展研究和商业化并被广泛应用到过滤器纳米电子器件光学器件传感器件催化剂纤维增强材料分离膜环境检测及治理能源转换与存储及生物医学等领

域在纳米技术诞生不到３０年的时间里静电纺丝技术所制备的纳米材料已经成

功地吸引了世界各国学者的研究兴趣从静电纺丝纳米技术的研究历程可以看出初始阶段主要是研究聚合物纳米

纤维的形成过程形成机理及探索不同种类聚合物纺丝的最佳条件进一步发展

主要是研究聚合物纳米纤维的功能化聚合物无机物复合纳米纤维及无机物纳米

纤维的制备等现在开展研究最多的主要是静电纺丝纳米纤维的应用这也是科

学家们从事此项研究的最终目标但是要使静电纺丝纳米纤维在实际生活中得到

应用真正实现静电纺丝纳米纤维的商品化还有很长的一段路要走高压静电纺丝制备纳米纤维也还有很多重要的问题需要解决一方面在静

电纺丝技术所制备的纳米纤维尺寸形貌以及组成的可控制备方面还需要进一步

研究我们知道现在对于一般聚合物来说都可以制备几十纳米到几微米的纤维但是要做到直径控制在几纳米还是一个比较困难的课题而具有几纳米直径的功

能纤维材料在纳米电子器件方面也更有意义可喜的是最近 Hou课题组以尼龙

４６的甲酸溶液为研究对象成功制备了直径为１~２nm 的聚合物纳米纤维[４１]实验结果表明聚合物溶液的浓度对纤维的直径有很大的影响当聚合物溶液的

浓度为２wt时可以得到直径小于１1049008６nm 的尼龙纤维当溶液浓度低于

４wt时会有珠状纤维出现这时可以加入少量吡啶来避免珠状物的出现高压

静电纺丝技术制备的纳米纤维形貌调控也是一个重要的研究课题为了将聚合物

纳米纤维应用于传感器或者环境治理领域增大聚合物的比表面积就变得非常重

要因此我们就希望制备出多孔聚合物纳米纤维另外具有多层次结构的一维纳

米结构材料由于在催化等领域的潜在应用也吸引了科学家们的广泛关注另外对于高压静电纺丝纳米纤维的应用领域还需要进一步研究到目前为

止静电纺丝技术制备的纳米纤维材料已经被广泛研究并应用在纺织过滤器增强材料光电器件催化剂传感器及生物医学等领域但是在这些报道中如何通

1048944７1048944第１章　绪　　论

过改进材料的组成或者结构来提高纳米纤维材料的性能也还是一个重要的研究

课题最后实验室所用静电纺丝装置制备纳米纤维效率较低大规模生产存在困

难因此研制批量化生产的静电纺丝机器也是亟须解决的重要课题目前捷克公

司已经成功制备了小型中型及大型的蛛网静电纺丝机器这为静电纺丝技术的进

一步发展奠定了基础但是还有很多问题需要解决例如蛛网静电纺丝机器通

常只能得到厚度较低的纳米纤维膜因此如何通过改进纺丝装置增加膜厚就成了

静电纺丝纳米纤维工业化生产的一个重要任务总之通过对静电纺丝技术的基

本实验及大规模制备领域的研究必将进一步推动各种纳米纤维材料实用化目标

的实现

参考文献

[１]IijimaS1049008Nature１９９１３５４５６1049008[２]XiaYYangPSunYetal1049008AdvMater２００３１５３５３1049008[３]RamakrishnaSFujiharaKTeoWＧEetal1049008 AintroductiontoelectrospinningandnanofibersSingaＧ

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论文２００５1049008[５]RayleighL1049008PhilMag１８８２１４１８４1049008[６]ZelenyJ1049008PhysRev１９１５１８７１1049008[７]ZelenyJ1049008PhysRev１９１７１０１1049008[８]WilsonCTRTaylorGI1049008ProcCambPhilSoc１９２５２２７２８1049008[９]VonnegutBNeubauerRL1049008JColloidSci１９５２７６１６1049008[１０]DrozinVG1049008JColloidSci１９５５１０１５８1049008[１１]TaylorGI1049008ProcRoySocLondonA１９６４２８０３８３1049008[１２]TaylorGI1049008J1049008FluidMech１９６５２２１1049008[１３]TaylorGI1049008ProcRoySocLondonA１９６６２９１１４５1049008[１４]FongHChunIRenekerDH1049008Polymer１９９９４０４５８５1049008[１５]FantiniDZanettiMCostaL1049008 MacromolRapidCommun２００６２７２０３８1049008[１６]HoganJrCJYunK MChenD Retal1049008 ColloidsSurfAPhysicochem EngAspects２００７

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1048944８1048944 有机纳米功能材料mdashmdashmdash高压静电纺丝技术与纳米纤维

[２５]FormhalsA1049008 U1049008S1049008PatentNo1049008２１６０９６２１９３９1049008[２６]SimonsHL1049008 U1049008S1049008PatentNo1049008３２８０２９９１９６６1049008[２７]BaumgartenPK1049008J1049008ColloidInterfSci１９７１３６７１1049008[２８]Simm WGoslingKBonartRetal1049008GB１３４６２３１１９７２1049008[２９]LarrondoLManleyRST1049008JPolymSciPolymPhysEdu１９８１１９９０９1049008[３０]LarrondoLManleyRST1049008JPolymSciPolymPhysEdu１９８１１９９２１1049008[３１]LarrondoLManleyRST1049008JPolymSciPolymPhysEdu１９８１１９９３３1049008[３２]RenekerDHChunI1049008Nanotechnology１９９６７２１６1049008[３３]RenekerDHYarinALFongHetal1049008JApplPhys２０００８７４５３１1049008[３４]ShaoCKim HGongJetal1049008Nanotechnology２００２１３６３５1049008[３５]LiDXiaY1049008NanoLett２００３３５５５1049008[３６]LiDXiaY1049008NanoLett２００４４９３３1049008[３７]SigmundWYuhJParkHetal1049008JAmCeramSoc２００６８９３９５1049008[３８]LiDMcCannJTXiaY1049008JAmCeramSoc２００６８９１８６１1049008[３９]BognitzkiMBeckerMGraeserMetal1049008AdvMater２００６１８２３８４1049008[４０]LuXFWangCWeiY1049008Small２００９５２３４９1049008[４１]HuangCChenSLaiCetal1049008Nanotechnology２００６１７１５５８1049008

1048944９1048944第１章　绪　　论

第２章　高压静电纺丝概述

黄小军　徐志康

２1049008１　高压静电纺丝基本装置

静电纺丝法顾名思义即一种利用高压电场力制备纳米纤维的方法根据静

电纺丝的原理和过程其基本装置主要包括高压电源喷丝头和接收装置等三个部

分高压电源提供产生纺丝液射流的高压电电源的两极分别连接喷丝头和接收

装置纺丝液通过注射泵从喷丝头中挤出形成小滴小滴在高压电作用下变成锥

形在超过某一临界电压后进一步激发形成射流射流在空气中急速振荡和鞭动从而拉伸细化最终沉降在接收装置上下面就高压静电纺丝的三个基本组成部

分进行详细介绍

２1049008１1049008１　高压电源

静电纺丝是纺丝液体系在高压电场力作用下的射流激发射流鞭动细化产生

纳米纤维的过程因此可以说高压电源是静电纺丝装置中最重要的组成部分根

据电源性质的不同高压电源又可分为直流高压电源和交流高压电源两种它们均

可以用于静电纺丝

１1049008 直流高压电源

直流高压电源是由交流市电或三相电输入数千伏以上或数万伏以上直流电

压输出的电源一般可稳压或稳流实验室中常采用稳压直流高压电源在直流高

压电源电纺过程中射流激发方式通常采用感应充电(inductioncharging)的形式即将直流高压电直接接到喷丝头上接收装置接地或反之亦有电离场充电(ioniＧzedfieldcharging)即将喷丝头穿过环形电极将高压电接在电极上通过增加电

压击穿空气产生导电离子使得喷丝头充电用这种方法激发射流产生的泰勒锥不

太稳定纺丝以脉冲模式进行同时制备的纤维直径与相同条件下感应充电形式相

比尺寸更大一些[１]另外有研究发现所使用直流高压电源的电压极性对纺丝过程影响不大但是

通过高压负电制备的纳米纤维直径分布比高压正电更窄一些这主要是因为电子

质量比质子轻１００００倍左右运动速度较快在纺丝过程中能更均匀地分布在射

　1048944ii1048944　

纳米科技各个相关基础学科和技术领域的科技工作者和研究生本科生等提供一

套重要的参考资料这是我们努力实践ldquo科学发展观rdquo思想的一次创新也是一件利国利民对国家

科学技术发展具有重要意义的大事感谢科学出版社给我们提供的这个平台这不仅有助于我国在科研一线工作的高水平科学家逐渐增强归纳整理和传播知识

的主动性(这也是科学研究回馈和服务社会的重要内涵之一)而且有助于培养我

国各个领域的人士对前沿科学技术发展的敏感性和兴趣爱好从而为提高全民科

学素养做出贡献我谨代表laquo纳米科学与技术raquo编委会感谢为此付出辛勤劳动的作者编委会委

员和出版社的同仁们同时希望您尊贵的读者如获此书开卷有益

中国科学院院长

国家纳米科技指导协调委员会首席科学家

２０１１年３月于北京


前　　言



























　1048944iv1048944　












作　者

２０１１年５月


目　　录


前言





























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１1049008１　引　　言















１1049008２1049008１　电喷技术

































①

②































(图１1049008１)

1048944３1048944第１章　绪　　论



１1049008２1049008２　静电纺丝技术






























1048944５1048944第１章　绪　　论












































1048944７1048944第１章　绪　　论









的实现

参考文献







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２1049008１1049008１　高压电源














前　　言



























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作　者

２０１１年５月


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的实现

参考文献







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作　者

２０１１年５月


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的实现

参考文献







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