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好事还是坏事?--控制电纺纤维中的“串珠”结构

  发布时间:2022-08-11 06:55:19 | 来源:亚博华体会欧冠联赛 作者:亚博华体会代理
  

  静电纺纳米纤维中有时会出现串珠结构,这些串珠结构被称为电纺纤维的“副产品”,会影响纳米纤维材料的性能。因此,大部分情况下,静电纺丝实验过程中都希望得到平滑的纳米纤维,避免出现串珠结构。但是,串珠所带来的微纳米复合结构也会带给材料不一样的性能。无串珠的平滑纤维还是有串珠的复合纤维,你到底想要哪一个呢?

  聚合物分子链在溶液中形成缠结,具有一定的黏度,是静电纺丝技术制备聚合物纤维的必要条件。当聚合物溶液射流在泰勒锥表面形成以后,射流在高压静电场中收到电场力的拉伸,当有足够缠结的分子链沿射流轴向取向化,能够平衡电场力的拉伸,保持射流的连续性,从而形成纤维。当缠结度不够时,射流无法保持连续,就会断裂形成串珠结构纤维。

  在聚合物浓度一定的情况,相对分子质量低时,聚合物射流在电纺过程中出现断裂,分子链未被充分拉伸取向化,会得到串珠结构纳米纤维。

  当聚合物相对分子质量固定以后,溶液浓度是影响分子链在溶液缠结的决定性因素。当静电纺丝溶液浓度和黏度较低时,溶液分子链缠结度不够,受力拉伸不均匀,分子链取向化协同不一致,也会产生串珠结构纤维。

  聚合物溶液的电导率直接影响到纤维的形态,如果溶液的电导率低,射流受到的拉伸作用就较弱,容易获得串珠结构纤维。

  溶液浓度一定的情况下,电压升高,射流的不稳定性增加,分子链断裂的几率也会增加,使纤维膜中的珠粒数增多,但是串珠之间的纤维直径减小。在聚合物溶液浓度和黏度较大时,电压和接收距离一定时,增加注射速度,纤维膜中容易形成串珠结构。

  图4 溶液注射速度对静电纺聚乙烯醇纤维形貌的影响(电压18Kv,接收距离15cm)

  高湿度条件下,射流中溶剂的不易挥发,射流保持带电的流体状态,被电场力持续拉伸;在同样的时间间隔内,射流由于拉伸而直径减小,其表面积增加,单位电荷密度减少,射流轴向的不稳定性增加,导致形成串珠。

  虽然,部分研究者都希望制备出没有串珠的平滑且均匀的纳米纤维。但是,江雷院士却独辟蹊径,反向思考了串珠结构纳米纤维的性能。通过调控静电纺丝溶液的浓度,制备了含大量串珠结构的纳米纤维材料。研究结果表明,因含有大量串珠结构,制备的复合膜材料表现出稳定的超疏水性能,其中,多孔串珠结构在超疏水性中起主导作用,纳米纤维作为骨架对复合膜进行强化。

  综上可以看出,串珠结构并非一无是处。因此,串珠结构究竟是静电纺丝过程中的“副产品”,还是有助于改善材料性能,需要研究者不断重复实验进行验证。

  所以,实验过程中的重现性非常重要!在选择静电纺丝机要尽量选择配备环境控制的机型,避免环境因素干扰实验过程,导致实验重现性不佳。

  永康乐业ET-2535AC静电纺丝机在硬件配置上尤其增强对内部纺丝环境的控制。该型号类似手套箱的机型,加强了对内部纺丝环境的控制,可精准控制温湿度,实验重复性高。另外,环境湿度对串珠结构有一定的影响,ET-2535AC静电纺丝机采用进口压缩机,可以高效调控湿度,从而很好的调控产品形貌,优化产品性能,得到最佳实验数据。

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