电纺法制备定向纳米材料的研究

论文摘要

近年来,纳米科学和技术已经引起遍及世界的广泛兴趣,预期其将带来全面的技术和工业革命。在不同的纳米制备技术中,静电纺丝是一种工艺简单功能多变的制备连续纳米纤维的方法。但是,由于电纺法制备的纤维定向性差以及现有定向技术产量低的缺陷而限制了这项技术的商业化进程。目前,电纺技术的研究仍处于起步阶段,仍有大量阻碍电纺技术应用的迫切问题需要进一步研究解决,其中尤为突出的就是纳米纤维的定向技术。显而易见,定向纤维在其应用方面具有极其重要的意义,但是,到目前为止,定向纤维的电纺工艺仍然没有很好地建立。另一方面,迄今为止对电纺工艺的研究大部分集中在溶液的高浓度范围内,由于溶液的高粘度在这个浓度范围得到的电纺产物一般为纳米纤维。低浓度溶液的电纺产物是纳米颗粒,在很多领域都有潜在的应用。然而,人们对于低浓度溶液的电纺行为研究很少,知识很有限。本研究旨在解决电纺领域存在的上述问题。本论文建立了一种非常简单的电纺定向技术,利用这种技术我们制备了长达25厘米,横向覆盖宽度高达63厘米的高定向聚合物纳米纤维。这项技术基于一种改进的电纺设备、点电极收集器的采用以及纤维的侧向喷射。这种电纺过程的显著特征在于纤维的喷出是单根不连续的,这个现象已经由高速像机拍摄的实时图像所证实。制备过程中纤维的定向是借助于点电极产生的汇聚电场的诱导作用实现的。为了提高定向纤维的产量,我们将这种技术从单喷头进一步扩展到多喷头（3个纺丝喷口）。通过对如上定向技术的改进我们还开发了一种制备定向螺旋纳米纤维的方法,其中螺旋纤维的收集是通过一个倾斜的玻璃片进行的。利用这种方法我们成功制备了定向的聚己内酯（PCL）螺旋纤维,其形貌结构和螺旋直径依赖于溶液浓度,在4.7%-10%的浓度范围内获得的螺旋纤维的螺旋直径在6.9-14.9μm,其中在溶液浓度10%时获得了三维的螺旋纤维。这种螺旋纤维的形成是由于高速液流撞击基材表面时会产生机械不稳定性,这种机械不稳定性导致液流的弯曲折叠,使液流沿螺旋路径沉积在基材表面。同样,螺旋纤维的定向也是通过尖端电极所产生的汇聚电场的作用实现的。通过适当控制收集基材的位置和倾斜度利用这种方法可以直接在基材表面制备由纳米纤维组成的图案。利用上述方法我们制备了定向的PAN原纤维,通过随后的碳化反应制备了平均直径为80nm的高定向纳米碳纤维（CNFs）。同时,我们利用传统的电纺装置制备了平均直径为60nm的非定向碳纳米管纤维（CNFs）。研究了稳定化温度、碳化温度、升温速率以及衬底对纳米碳纤维形貌和结构的影响。利用多种分析手段如XRD、Raman、SEM、TEM、FTIR和TG/DTA等对样品进行了分析表征。另一方面,本论文研究了低浓度范围的电纺行为,通过电纺荷电粒子的自组装获得了蜂窝状多孔结构。通过控制溶液浓度与纺丝电压可以在某种程度上控制这种结构的形貌。我们利用浓度范围在8到13% （w/v）的聚氧乙烯（PEO）水溶液制备了这种蜂巢状多孔结构,通过变化溶液浓度可以实现对其孔壁结构的控制,获得密实和多孔的壁结构。微孔倾向于呈现多边形尤其是六边形,微孔直径的尺寸在15到80μm,组成蜂巢结构的纳米颗粒尺寸范围为50到200nm,组成蜂巢结构的纳米纤维的直径分布为50到100nm。形成此种微观结构的纳米粒子和纳米纤维的形貌取决于溶液浓度和纺丝电压。我们研究了衬底的性质对于自组装微观结构形态的影响,结果表明在铝箔和玻璃衬底上的多孔结构形貌明显不同,与铝上的样品相比玻璃上样品的孔径更大,孔壁更直。这可能是因为由于玻璃不导电而铝是导体,因而在沉积过程中玻璃上的电荷积累更多的缘故。同时发现在铝箔表面沉积时一般要先形成一层连续的聚合物薄膜,而后才开始自组装过程,而在玻璃表面沉积时自组装可以在基材表面直接进行。其原因可能同样是由于这两种基材导电性的差异。我们进一步研究了基材的放置位置对自组装行为的影响,发现大颗粒倾向于落在距离注射器喷口近的位置,组装成垂直于表面的柱状物,而小的颗粒则落在距离远的位置,自组装成蜂巢状多孔结构。电纺过程中产生的液滴的表面张力以及彼此之间的静电排斥力在蜂窝结构的形成中起主要作用。基于以上两种作用力的竞争行为,我们建立了一个生长模型并成功解释了这种荷电液滴的自组装行为。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Nomenclature
• List of table
• List of figure
• 1. Introduction to electrospinning
• 1.1 Introduction
• 1.2 Objectives and dissertation layout
• 1.3 Electrospinning
• 1.3.1 Taylor cone formation
• 1.3.2 Jet Initiation
• 1.3.3 Whipping Instability
• 1.4 History of electrospinning
• 1.5 Introduction to some techniques of electrospinning aligned nanofibers
• 1.5.1 Rotating drum/cylinder as collector
• 1.5.2 Rotating disk collector
• 1.5.3 Multi-ring electrodes with wooden splints collector
• 1.5.4 Parallel electrodes collector
• 1.5.5 Metal frame collector
• 1.5.6 dual collection ring
• 1.5.7 Magnetic electrospinning method
• 1.5.8 Gas flow alignment method
• 1.6 Parameters affecting electrospinning process
• 1.7 Unique features of electrospinning
• 1.8 Potential applications of electrospinning
• 2. Experimental
• 2.1 Materials
• 2.2 Experimental equipments
• 2.3 Characterization techniques
• 2.3.1 Scanning electron microscopy （SEM）
• 2.3.2 High resolution transmission electron microscopy （HRTEM）
• 2.3.3 Optical microscopy
• 2.3.4 X-rays diffraction （XRD）
• 2.3.5 Raman spectroscopy
• 2.3.6 Fourier transform infrared spectroscopy （Ftir）
• 2.3.7 Thermogravimetric/differential temperature analyses （TG/DTA）
• 2.3.8 High speed photography
• 3. Electrospinning highly aligned long polymer nanofibers on large scale by using tip collector
• 3.1 Introduction
• 3.2 Alignment of polymer nanofibers by a tip collector
• 3.2.1 New electrospinning setup
• 3.2.2 Electric field modeling
• 3.2.3 Process of single fiber formation
• 3.2.4 Alignment process
• 3.3 Multi-jet/multi-collector system for aligned nanofibers
• 3.4 Morphological changes with change in solution and electrospinning parameters
• 3.5 Production of aligned helical polymer nanofibers by electrospinning
• 3.5.1 Modified electrospinning setup for aligned helical nanofibers
• 3.5.2 Preparation and morphology control of electrospun aligned helical nanofibers
• 3.6 Fabrication of nanofiber patterns
• 3.7 Summary
• 4. Fabrication of ultra thin and aligned carbon nanofibers from electrospun polyacrylonitrile nanofibers
• 4.1 Introduction
• 4.2 Preparation of random pan nanofibers
• 4.3 Stabilization and carbonization
• 4.4 Morphology and structure of carbon nanofibers
• 4.5 Preparation of aligned carbon nanofibers
• 4.6 Summary
• 5. Self-assembly of honeycomb microporous structures from electrically charged polymeric nanoparticles during electrospinning
• 5.1 Introduction
• 5.2 Self-assembly of honeycomb microporous structures from electrospun charged nanoparticles
• 5.3 Morphological changes of self assembled honeycomb microporous films
• 5.4 Model for explaining self-assembly of electrically charged polymer nanoparticles
• 5.5 Summary
• 6. Conclusions
• References
• Publications
• Resume
• Declaration