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用于研發(fā)的靜電紡絲設(shè)備N(xiāo)F-500介紹
靜電紡絲技術(shù)廣泛應(yīng)用于纖維的制備及成型,制備的纖維直徑可達(dá)幾微米甚至幾納米。由于靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有高長(zhǎng)徑比、大特異性比表面積、孔隙可控的特點(diǎn),靜電紡絲技術(shù)逐漸成為納米纖維制造普遍的方法之一。
靜電紡絲原理與裝置
在高壓電場(chǎng)的作用下,聚合物溶液或熔體表面被極化產(chǎn)生電荷,形成與表面張力相反的靜電斥力。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度突破臨界值,聚合物液滴呈現(xiàn)圓錐體形狀,即“Taylor錐"。當(dāng)紡絲電壓足以克服聚合物液滴的表面張力時(shí),Taylor錐的底部形成細(xì)小的射流,射流在沿直線運(yùn)動(dòng)一小段距離后進(jìn)行劇烈的螺旋擺動(dòng),伴隨著溶劑的揮發(fā),射流固化沉積到接收裝置的表面,形成納米級(jí)的聚合物纖維。
圖1 靜電紡絲設(shè)備示意圖
NF-500型是一種用于實(shí)驗(yàn)室的靜電紡絲設(shè)備。
通過(guò)集成諸如50kV高壓電源,多孔噴頭和卷帶收集器以及溶液加熱噴頭等配件,可以紡各種納米纖維。
通過(guò)與多孔噴頭的組合,它可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)450mm寬的納米纖維膜。
使用滾筒收集器,可以制成通常用于細(xì)胞培養(yǎng)或電子設(shè)備的向性納米纖維膜。
該系統(tǒng)可以使用兩個(gè)內(nèi)置泵輸送兩種不同的溶液,從而制作芯鞘結(jié)構(gòu)納米纖維。
靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用
1、組織工程
人體中的許多組織損傷后不能再生,如果創(chuàng)傷嚴(yán)重,患者必須通過(guò)器官替代或移植來(lái)恢復(fù)功能。靜電紡絲納米纖維由于其良好的生物相容性、可控的機(jī)械性能和類(lèi)似天然細(xì)胞外基質(zhì)的特點(diǎn),被認(rèn)為是優(yōu)秀的組織工程材料。目前,電紡納米纖維已經(jīng)在皮膚、血管、心臟、神經(jīng)、骨組織等組織工程領(lǐng)域得到了研究及應(yīng)用。
2、傷口敷料
靜電紡絲技術(shù)制成的納米纖維敷料具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)能夠模擬皮膚細(xì)胞外基質(zhì)的自然結(jié)構(gòu),使得納米纖維敷料對(duì)傷口輪廓具有良好的適應(yīng)性,更好地保護(hù)傷口。
(2)靜電紡絲技術(shù)可用于將酶、生長(zhǎng)因子、抗生素或抗氧化劑等多種藥物負(fù)載于納米纖維的內(nèi)部或表面,通過(guò)調(diào)節(jié)其纖維的力學(xué)參數(shù),從而影響細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生,最終調(diào)節(jié)傷口愈合過(guò)程。
(3)納米纖維敷料因其高孔隙率而具有良好的透氣性和可調(diào)節(jié)的潤(rùn)濕性,可以實(shí)現(xiàn)防水、透濕等特殊功能,為傷口愈合創(chuàng)造更好的環(huán)境。
(4)納米纖維敷料比表面積大,具有強(qiáng)的吸水性(吸水率可達(dá)17.9%~21.3%)與高效的止血效果。
3、膜過(guò)濾
3.1 空氣凈化
由于電紡納米纖維薄膜具有直徑小、比表面積大、孔隙率高以及孔徑分布可控等特點(diǎn),目前已有學(xué)者成功制備多種纖維膜并將其用作空氣過(guò)濾介質(zhì),如聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰胺(PA 6)、聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)等。在傳統(tǒng)熔噴布上附著一層納米纖維制成的復(fù)合材料具有高效低阻的優(yōu)點(diǎn),能有效提高過(guò)濾效率;靜電紡絲工藝也可以制備可降解或可以重復(fù)使用的新型口罩;抗菌殺菌也是納米纖維基空氣過(guò)濾材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
3.2 液體過(guò)濾
液體過(guò)濾在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著舉足輕重的地位,與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比膜分離技術(shù)具有高效低耗等特點(diǎn),其中最為常用的方法有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)以及正滲透(FO)。靜電紡絲作為新型制膜技術(shù),所制備的纖維膜具有孔徑小、孔隙率高且孔徑可調(diào)等特點(diǎn),使其在液體過(guò)濾中具有較高的過(guò)濾效率和滲透通量。
圖4 納米纖維膜過(guò)濾液體示意圖
3.3油水分離
靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)可控及表面潤(rùn)濕性可調(diào)節(jié)的特性,在油水分離領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,常規(guī)的油水分離納米纖維膜主要包括超親水-疏油納米纖維膜、超疏水-親油納米纖維膜、智能可控油水分離納米纖維膜。
圖5 油水分離納米纖維膜過(guò)濾示意圖
4、柔性電子器件
新興的柔性電子技術(shù)的出現(xiàn)正在滲透到人類(lèi)日常生活的各個(gè)領(lǐng)域,包括柔性觸覺(jué)傳感系統(tǒng)、人工電子皮膚、智能紡織品、可穿戴健康監(jiān)測(cè)、可植入裝置等。靜電紡絲納米纖維可被用于不同電子器件,如導(dǎo)電元件、基材、強(qiáng)化成分,甚至是全纖維結(jié)構(gòu)。
受益于電紡纖維的不同結(jié)構(gòu)(例如,多孔、中空、芯殼、多通道和納米帶及其組合),為柔性電子器件提供了一系列特定的優(yōu)勢(shì),包括靈活性、透明度、導(dǎo)電性、透氣性、自我修復(fù)能力和可清洗性,這些優(yōu)勢(shì)賦予器件高性能和某些突出的功能。基于電紡纖維的電子器件可作為不同的平臺(tái),如拉伸電極、電阻式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、晶體管、納米發(fā)電機(jī)和植入式設(shè)備,用于監(jiān)測(cè)一系列的人類(lèi)身體健康信息。