静电纺丝文献综述

学号：北京化工大学毕业设计开题报告题目：学院：材料科学与工程学院专业：班级：姓名：指导教师：专业负责人：日期：年月日指导老师意见：指导老师签字：日期:年月日静电纺丝文献综述摘要：静电纺丝技术自从2000年以后进入快速发展期，论文和专利都成指数型增长。目前，研究的现状从这些研究的内容看，研究主要围绕静电纺丝的应用、工业化、原理三个方面。同时，在医用材料领域，静电纺丝也逐步展开了研究。关键词：静电纺丝，研究现状，医用材料Abstract:Electrospinningdevelopsrapidlythatpapersandpatentsincreaseexponentiallysince2000.Theresearchstatusfocusonapplications,industrializationandprinciple.Meanwhile,electrospinningresearchonbiomaterialsisspringingup.Keywords:electrospinning,researchstatus,biomaterialsapplication1静电纺丝发展目前常用的制备纤维的方法有拉伸法、模板法、相分离法和静电纺丝法。其中，静电纺丝法制备纤维因其操作简单、适用较广和成本低而广泛被使用在纺丝领域。静电纺丝是A.Formhals在1934年发明[1]。在1938年至1944年期间，随着A.Formhals对静电纺丝技术的进一步改进和对静电纺丝原理的探究[2-7]，静电纺丝技术得到了进一步的发展。1969年，Taylor发现了Taylor锥[8]，对静电纺丝的原理进行了进一步的丰富。1971年，杜邦公司利用静电纺丝制备了PAN亚纳米纤维。1981年，美国Ethicon公司研究了静电纺丝技术在医学领域的应用[9]。在20世纪90年代后，静电纺丝技术在世界范围内得到了快速发展，文献和专利技术迅速增加。在2001年，国内有关静电纺丝技术的专利出现，东华大学、北京化工大学、浙江大学等高校成了国内静电纺丝研究的中心。在2006年，全球第一条静电纺丝制备纳米纤维的生产线投入市场，标志着静电纺丝技术实现了工业生产化。2静电纺丝原理静电纺丝所需要的实验装置静电纺丝机。静电纺丝机一般包括高压电源、喷丝装置和收集装置。喷丝装置到收集装置的距离一般为15-25cm，电压为0-50kV。纺丝液体从喷丝装置流出，在高压电压作用下客服喷丝液自身的表面张力和粘弹力而形成射流。随着溶剂的挥发和熔体的凝固，射流最终在接收装置上形成纤维。在当代，学者对静电纺丝原理进行了进一步研究和探讨[10]，其研究主要集中在泰勒锥和纳米纤维的弯曲非稳定性两个方面。另外，同轴静电纺丝和纺织核壳结构纳米纤维的原理的研究也在悄然兴起。3影响因素静电纺丝的影响因素主要有以下三个因素：溶液性质，控制变量，外界条件。溶液性质包括溶质性质，溶剂性质，溶剂浓度，溶液导电率和PH值，溶液表面张力等；控制变量包括电场强度，接收距离，推进速度，针头内径等；外界条件包括空气湿度和温度。对于同一种聚合物溶液，随着分子量的增加分子链的长度增加，从而分子量的粘弹性、流变性、表面力学性能改变，纤维性能改变[11]。同理，聚合物的浓度[12]、溶剂[13]等改变，纤维性能改变。随着外加电压的减小，溶液表面的静电斥力减小，纤维表面越光滑[14]；同样，接受距离增加、流速减小，更有利于纤维的纺织。空气湿度、温度对静电纺丝也有一定的影响：Ramsay-shields推导出了相关公式γ*v^（2/3）=K*(Tc-T-6)其中γ为表面张力，V为液体摩尔体积，K为普适常数，Tc为临界温度[15]。4研究进展4.1在应用方面静电纺丝制备纳米纤维在2006年实现工业化以后，目前已经开始用于各个方面。如生物材料，组织支架，污水处理等等方面。在医学材料方面，静电纺丝制备的纤维膜可以用于体外创伤护理的敷料、皮肤再生的医用敷料和具有定向药物释放功能的医用辅料[26]。污水处理等常用的超滤膜有聚丙烯晴（PAN）超滤膜、聚砜类（PS）超滤膜、醋酸纤维素（CA）超滤膜等。超滤膜可以通过机械的吸附等物理作用可以是溶剂和溶质选择性的通过，从而起到过滤筛选的作用。4.2在工业化方面自从2006年全球第一个静电纺丝制备纳米纤维的生产线建立之后，标志着静电纺丝进入工业化阶段。目前，在工业方面研究的热点主要有多针头喷丝工艺的设计、无针头静电纺丝、多孔平板型喷头设计、多孔陶瓷管喷头设计等。在目前纳米纤维急切需求的市场情况下，高性能、低成本的静电纺丝工艺将是这方面研究的重点和热点。4.3在技术原理方面溶液性质、控制条件和外界环境对纺丝效果影响较大，通过对溶液、控制条件和外界条件的调控来控制静电纺丝，从而改善纤维的性能是静电纺丝技术的一个新的研究热点。5HA和PEO性质5.1透明质酸透明质酸（HA,Hyaluronicacid）又称玻璃酸，玻尿酸。透明质酸是一种无毒的白色的无定型态的粉末状固体，如图1（a）。这种固体无臭无味，具有极强的吸湿性，可溶于水，但是不能溶于有机溶剂。透明质酸的水溶液具有很高粘弹性和可塑性，易于制成纳米纤维。由透明质酸制成的生物膜具有很好的渗透性，改性后可用作渗透膜。由于人体和生物体内含有大量的透明质酸，并且主要分布在结蹄组织和细胞外基质中，所以透明质酸具有良好的生物相容性。透明质酸极易降解，在酸碱、高温、射线、金属条件下都可降解。由于透明质酸的独特性之，它还被用着乳化剂、增稠剂和润滑剂等。透明质酸是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸通过β-1,4和β-1,3糖苷键反复交替连接形成的线性酸性粘多糖。这种粘多糖的结构单元属于葡萄糖的衍生物，其结构式如图1（b）。透明质酸的分子量一般小于400万，当分子量高达300万后就因无可纺窗口而不具有可纺性了，失去了低分子量的透明质酸的可纺性。图1透明质酸。（a）为透明质酸实物图；（b）为透明质酸结构式由于透明质酸的结构单元含有大量的羟基，这些羟基在透明质酸的分子间或者分子内形成氢键。在氢键和分子间的各种作用力的共同作用下，透明质酸的空间结构是刚性的螺旋柱型。除此之外，羟基具有极强的亲水性，亲水量可高达自重的1000倍以上；在分子间作用力作用下，羟基排布极其规整，取向相同，而在羟基取向的反方向上是整齐的碳链骨架的排列，碳链是难溶于水的，所以在碳链侧透明质酸具有憎水性。由此，透明质酸具有亲水憎水的双重属性。因为透明质酸这种独特的性质，它被广泛用于化妆品行业，并被公认为是高端的保水因子。除此之外，透明质酸也被广泛用于医用行业。透明质酸具有良好的生物相容性，其本身就是生物体的一部分。目前，在眼科、关节疾病、外科手术、疾病诊断方面，透明质酸发挥着重要的作用[16]。透明质酸无毒无害，并且易于降解，在食品加工工艺上也有所应用。透明质酸目前主要采用组织提取法和微生物发酵法两种工艺进行生产。目前，通用的方法主要是组织提取法，这种生产方法成本高，规模小。在我国，大型的透明质酸生产厂家有山东福瑞达公司、山东东营东辰集团公司、上海聚源生物科技公司、广州申强化工有限公司、浙江瑞邦制药厂、江苏无锡柯兰精细化学制品厂、重庆团结生化制品有限公司、江苏吴江振兴生物制品厂、杭州嘉伟生物制品有限公司等，但他们采用的都是组织提取法。在国外，目前能采用微生物发酵法的厂家大概只有三四家。透明质酸的价格昂贵，化妆品级的透明质酸的市场价大约在1.3万/kg，而医用级的透明质酸的市场价大约在8万/kg，这也大大限制了透明质酸的应用。5.2聚环氧乙烯聚环氧乙烯（PEO,Polyethyleneoxide）又称为聚环氧乙烷。聚环氧乙烯是一种无毒的白色微颗粒状的固体，如图2（a）。聚环氧乙烯易溶于水，也可溶于氯仿、二氯甲烷等良性有机溶剂中，在加热的情况下还可溶于苯、甲苯、四氢呋喃等。聚环氧乙烯具有良好的抗热性，热解温度高达300℃。除此之外，它还是良好的抗药剂和抗静电剂。聚环氧乙烯的结构式如2（b）。当其分子量小于2,5万时，其形态呈液态或者蜡状固体，这种形态的聚环氧乙烯实际上就是我们平时见的聚乙二醇（PEG，Polyethyleneglycols）；当其分子量大于2.5万时，聚环氧乙烯呈白色固体状。通常，人们把分子量大于10万的聚环氧乙烯称为高分子量聚环氧乙烯。图2.2聚环氧乙烯。（a）聚环氧乙烯实物图；（b）聚环氧乙烯结构式聚环氧乙烯用途极广，在工业、食品、医药、消防等领域都有应用。在工业领域，聚环氧乙烯常被用作水相减阻剂、凝聚剂、增稠剂、润滑剂、粘合剂、脱模剂、上浆剂、成型剂、润滑剂等。由于聚环氧乙烯的无毒性，聚环氧乙烯在医药食品领域也有所应用。6.展望静电纺丝技术因为其装置简单、成本低廉等仪器条件、可纺材料种类多等试剂条件、工艺可控的工艺条件，目前已经成为制备纳米纤维最常用的一种方法之一。但是，目前静电纺丝制备纳米纤维的工业化不足、原理技术还有待完善、应用仍然单一。以后研究的重点和热点将围绕着工业化、应用和原理技术展开。另外，随着生物材料在新材料领域的新兴，静电纺丝制备纳米纤维作为细胞组织培养支架、人体植入替代组织、生物医用器械等方面也将逐步展开。参考文献[1]FORMHALSA.Processandapparatusforproducingartificialfila-menlsfrommaterialsuchascelluloseacetatethreads[P].US，1975504.1934-10-02[2]FORMHALSA．ArtificialfiberconsWuction[P].US，2109333.1938-02-22[3]FORMHALSA．Methodandapparatusfortheproductionofartificialfibers[P].US，2158416.1939-05-16[4]FORMHALSA．Methodandapparatusforspinning[P].US,2160962．1939-06-06[5]FORMHALSA.Artificialthreadandmethodofpmducinasame[P].US,2187306.1940-01-16[6]FORMHALSA.Productionofartificialfibersfromfiberformingliquids[P].US,2323025.1943-06-29[7]FORMHALSA.Methodandapparatusforspinning[P].US,2349950.1944-05-30[8]TAYLORG.IElectricallydrivenjets[J].LondonSerA,1969,313(1515):453-475[9]中国知识产权研究会．各行业专利技术现状及其发展趋势报告2007—2008[M]．北京：科学出版社，2008：2—20[10]薛聪，胡影影，黄争鸣.静电纺丝原理研究进展[J]高科技纤维与应用，2009，6：38-47[11]KOSKIA,YIMK,SHIVKUMARS.EffectofmolecularweightonFibrousPVAproducedbyelectrospinning[J].MaterialsLetters,2004,58:493-497[12]DEITZELJM,KLEINMEYERJ,HANRRISD,etal.Theeffectofprocessingvariblesonthemorphologyofelectrospunnanofibersandtextiles[J].Polymer,2001,42:261-272[13]TANSH.,INAIR,KOTAKIM,etal.Sytematicparameterstudyforultra-finefiberfabricationviaelectrospinningprocess[J].Polymer,2005,46:6128-6134[14]傅献彩等，物理化学（下册）[M].北京：高等教育出