静电纺丝系统中有序纤维收集的探讨

1、静电纺丝系统中有序纤维收集的探讨    摘 要：电纺纤维膜具有独特的优异性，随着其越来越广泛的应用，对纤维有序程度的要求越来越高。针对目前静电纺丝技术中有序纤维收集的瓶颈问题，本文通过一种新型接收装置圆形旋转接收极对有序纤维收集问题进行了探讨。试验结果表明，旋转接收极可以通过机械方式实现纤维的有序排列，与辊筒接收极装置相比，可以在较低转速下收集到有序程度较高的纤维。试验中也发现，在旋转接收极的不同区域，由于各点线速度不同，导致所收集纤维的有序程度不同，靠近圆心处的有序性较差，远离圆心处有序性较好。但是从宏观角度看，在旋转接收极同心圆的圆周方向有较强的机械

2、强度，这一特点将为有这方面需求的纤维膜的特殊用途提供可能。关键词：电纺丝；有序收集；纳米纤维；旋转接收极；辊筒接收极；撕裂方向中图分类号：TM89; TQ340. 6 文献标识码：A 文章编号：Study on Method Collecting Aligned Fibers by ElectrospinningYANG Cuiru1,2, JIA Zhidong2, LIU Jianan1,2, GUAN Zhicheng1,2, WANG Liming2（1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijin

3、g 100084, China;2 Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China.）Abstract: The electrospinning technology can fabricate continuous nano-fibers with diameter ranging from a few nanometersto microns. The fiber mats electrospun with large area to volume ratio and high porosit

4、y have wide application fields.Especially, the demand of aligned fibers is more urgent in the real application of electrospun mats. The rotary target which is anovel collection device used to gain aligned fibers is presented in this paper. The results showed that the rotary collector canmake the fib

5、ers aligned by mechanical strength, and obtain aligned fibers in lower rotational speed compared with rotatingdrum target. It is considered that the rotary target can work in low power to economize power source. Additionally, it wasfound in the experiments, there were different linear velocities in

6、the different region of rotary collector leading to the differentdegree of alignment. The alignment of fibers was inferior near the circle center, and it was better away from the circle center.Therefore, in future work, the annular target can be used to collect the aligned fibers in order to avoid t

7、he inferior alignmentnear the circle center. However, the fiber mats have stronger mechanical strength along the circle whose circle center is thecenter of rotary collection. So it provides a probability of the fiber mats for peculiar purpose.Key words：electrospinning; alignment; nano-fibers; rotary

8、 target; rotating drum target; tear orientation0 引言静电纺丝技术是目前世界上唯一能够连续制备纳米纤维的技术。通过电纺技术制备的纤维膜孔隙率高、比表面积大，因其独特的优势，近年来电纺技术的广泛应用引起了越来越多研究者的关注1-4。然而，传统的针板接收极得到的纤维膜，是电纺丝过程中产生的纤维散落到接收极随机形成的，这种杂乱无章的无纺结构限制了电纺丝在许多领域的应用。因为很多领域中需要具有特定形貌的有序网状结构，例如，人体血管的纤维结构都呈现有序排列并有一定的取向性，而且各部位组织的排基金资助项目：国家自然科学基金项目（50677032）。Proje

9、ct Supported by National Natural Science Foundation ofChina(50677032)列结构均有所不同。如果“人工血管”的纤维走向能够模拟对应部位的人体血管的纤维走向，它与人体就有可能更好地结合，从而更有利于患者康复5。另外，碳纳米管的应用越来越广泛，也愈加重要，因此对有序性要求更加苛刻，有序程度高的碳纳米管将大大增加机械强度 6。故实现电纺丝有序收集成为研究热点。对无序纤维实现有序收集，主要通过不同的接收装置来加以控制，在电纺丝有序收集的研究领域内，这种控制方式主要有两大类，一种是电场方式，例如通过双电极接地的方法来获得有序排列的纤维7,8

10、，然而实验中对电极间距的要求限制了接收区域，只能收集到较窄的条状纤维膜；使用铜线间距为1cm 的铜栅栏作为收集装置得到了单轴向有序排列的纳米纤维9，但是收集到的纤维膜在铜线上方部分比铜线之间积聚更多的纤维，形成一根根的1“支架结构”，纤维膜不均匀。另一种是机械方式，主要通过辊筒10或圆盘11作为接收极实现，辊筒收集的纤维有序程度不高；圆盘收集的纤维有序性虽然好，可是纤维只能收集在圆盘的棱上，接收区域极其有限。而Lisa 研究组将辊筒接收和附加电场结合起来，通过在辊筒附近增加一个极性相反的辅助电极产生电场来控制有序纤维膜形成的位置和宽度12，与单独的辊筒接收装置相比，能收集有序性更好的纤维，但控

11、制方式和手段较为复杂，可操作性不强。本文将采用旋转接收极作为接收装置，并与平板接收极和辊筒接收极进行相比较，试验结果表明，旋转接收极可用于收集有序纤维，而且在较低转速下即可收集有序程度较高的纤维，功率要求低，节约能源；另外，旋转接收极得到的圆形纤维膜能够形成圆周方向的剪切力，为制备有这方面特殊应用需求的薄膜提供可能。1 试验设计1.1 试验用原料及溶液配置鉴于聚氧化乙烯（PEO）的可纺性较好，在本文试验中，使用PEO（相对分子质量Mw=600000，美国Acros Organics 公司）作为溶质，去离子水为溶剂，制备4%（质量体积比）的PEO/水溶液，在室温下静置约24h 至完全溶解。1.2

12、试验装置试验装置如图1 所示，试验中使用三套不同的电纺系统：一是传统的针板电纺系统，本文将图1a 的旋转接收极系统在接收极静止状态时作为针板电纺系统，主要目的是增加静止状态和旋转状态电纺结果的可比性。二是采用圆形旋转铝箔作为接收极的电纺系统（如图1a，半径25cm）；三是辊筒作为接收极的电纺系统（如图1b，半径4cm，长5cm），其目的是与旋转接收极比较纤维的有序收集情况。将聚合物溶液置于注射器中，通过一个内径2.4mm 的硅橡胶管连接注射器和针头，针头（外径0.6mm，内径0.55mm，长 25mm，针头平整）同时作为喷丝头和电极。溶液流量通过微量注射泵控制，旋转接收极的转速通过电机控制。试

13、验参数为：流量0.3mL/h；接收距离（针尖与接收极上边缘的距离）为20cm；纺丝电压分别取10kV，12kV，14kV。1.3 试验样品样品的制备按照表1 中所示的试验进行，并分别编号从1#到12#。1.4纤维膜分析使用扫描电子显微镜（HITACHI S-4700）观察电纺纤维膜的纤维形貌，以及纤维排列情况。（a）（b）图 1 电纺装置（a）旋转接收极;（b）辊筒接收极Fig.2 Electrospinning setup（a）Rotary target（; b）Rotating drumtarget表1 试验方案及对应的样品编号Tab.1 Experiment scheme and cor

14、responding samples电压接收形式接收极旋转速度（rpm）10kV 12.5kV 15kV平板接收极0 1# 2# 3#750 4# 5# 6#旋转接收极1000 7# 8# 9#辊筒接收极1000 10# 11# 12#2 试验结果及分析2.1旋转接收极接收纤维的有序性图 2 是分别用平板接收极和旋转接收极接收到的纤维，通过扫描电镜观察到的微观形貌图。平板接收极是旋转接收极的静止情况。旋转接收极收集的纤维是在转速1000rpm 时的试验所得。图2a、2b、2c 分别是电纺电压为10kV、12kV、14kV 时平板接收极收集到的纤维，图2d、2e、2f 分别是电压与之对应的旋转接

15、收极得到的纤维。从图2 中可以看出，在试验中所采用的几个电压等级下，采用旋转接收极收集到的纤维与平板接收极相比，纤维形貌均由杂乱无章的无纺布形式变得相对有序起来。说明圆形旋转接收极可以实现有序纤维的收集。旋转接收极收集有序纤维的原理和辊筒接收极类似，是通过机械方式的控制使纤维呈现有序排列。2.2 旋转接收极与辊筒接收极的接收效果比较文献中报到的辊筒接收极，一般要求辊筒的旋转速度都比较高，文献13研究了辊筒转速对排列效果的影响关系，发现只有辊筒转速达到纤维的排列速度才能实现有序收集，而且随着辊筒转速的增加，纤维排列的有序性有所提高。本文中为了便于比较，试验中辊筒接收极转速取为1000rpm，图3

16、是所收集纤维的扫描电镜图。图3a、3b、3c 分别是电压为10kV、12kV、14kV 时收集到纤维的SEM图。从图3 中可以看出，在辊筒转速为1000rpm 时，接收到的纤维并没有呈现出有序性，说明在这个辊筒转速下还没有达到纤维散落时的排列速度。然而在同样的转速下，旋转接收极却收集到了相对有序的纤维（图2d、2e、2f）。针对上述现象可以解释如下：由于从喷丝口喷出的射流首先处于直线段部分，然后喷射流在高电场的作用下发生震荡失稳，产生频率极高的不规则螺旋运动。最后以随机的方式散落在接收装置上，形成纤维毡14,15。因为纤维高速旋转散落而下，在接收装置上接收到的将是无数个不规则的纤维圆 

17、;       圈重叠在一起16。结合图1 中的坐标，这些不规则的纤维圆圈在临近接收极的时刻将处于XY 面，而辊筒的接收轨迹应属于YZ 面（或与YZ 面平行），与XY 面垂直，辊筒欲使纤维有序排列，必须首先将XY 面上不规则的纤维圆圈拉成直线，再缠绕到YZ 面的辊筒上。只有辊筒的缠绕速度和纤维散落的线速度一致时，才能使之有序。而对旋转接收极来说，其接收轨迹与降落瞬间的纤维圈同属于XY面，不需经过先将纤维圈拉开再缠绕的过程，这样可大大减少使纤维有序排列的时间，因而只要在较低的转速下，纤维圈就能“顺势”有序排列。图 4 是旋转接

18、收极在750rpm 转速时，不同电压下电纺纤维的SEM 图，图4a、4b、4c 分别对应于电压为10kV、12kV、14kV 时的电纺参数。从图中可以看出纤维排列具有一定的有序性，虽然与1000rpm 相比，有序性要差一些，但是这样低的转速对于辊筒接收极来讲，不太容易实现有序收集。2.3旋转接收极不同接收区域的有序性试验发现，在旋转接收极不同区域收集的纤维有序程度并不相同。以圆形旋转接收极收集的4#纤维膜为例，分别在圆形旋转接收极的圆心处，半径4cm 处，半径8cm 处取样，记作4#1，4#2，4#3，通过SEM 观察纤维的排列情况，如图5 所示。如由于不同区域的线速度不同，导致线速度较低的圆

19、心附近区域的有序性较差（如图5（a），而边缘处的有序性要好得多（如图5（c）。因此可以设想，在今后的试验中，对原有的圆形旋转接收极进行改进，采用环状旋转接收极，以便剔除掉中心区域附近有序程度不高的区域，得到有序性广泛的纤维膜。（a）1# （b）2# （c）3#（d）7# （e）8# （f）9#图2 平板接收极和旋转接收极接收到的纤维形貌比较Fig.2 SEM images of Morphologies of fibers collected by plane target and rotary target3（a）10# （b）11# （c）12#图3 辊筒接收极收集纤维的SEM 图Fig.

20、3 SEM images of fibers collected by rotating drum target图 4 旋转接收极在750rpm 转速下收集到的纤维SEM 图Fig.4 SEM images of fibers collected by rotary target at speed of 750 rpm（a）4#1 （b）4#2 （c）4#3图5 旋转接收极不同区域收集到纤维的SEM 图Fig.5 SEM images of fibers collected by rotary target in different areas2.4撕裂方向试验发现，如果在电纺膜的边缘产生两个

21、割口，如图6 中红色标示的A、B，则沿割口方向顺势撕下形成图6 中的半圆环部分，箭头表示半圆环的形成方向。从图中可以看出，旋转接收极的特有成膜模式形成沿圆周方向的剪切力，使得在圆周方向有较强的机械强度。而一般的成膜工艺生产出的薄膜都是直线方向的强度较大，因此在膜参数中给定的都是沿直线方向的横向机械强度和纵向机械强度。而通过静电纺丝技术，使用旋转接收极作为接收装置制备的纤维膜能够在圆周（曲线）方向有较强的机械强度，因此这一特点为有这方面需求的一些薄膜的特殊应用提供了可能。图 6 圆周形的撕裂方向Fig.6 Circular tear orientation3 结论（1）圆形旋转接收极可以收集较为

22、有序的纤维。转速较大时，有序性相对较好。而且与辊筒接（a）4# （b）5# （c）6#收极相比，在较低的转速下即可收集到有序的纤维，不仅有序程度高，而且节约能源。（2）试验发现，在采用圆形旋转接收极的电纺系统中，圆心附近的有序性相对远离圆心的位置较差，因此可以考虑，将旋转的圆形接收极进一步改进为旋转的圆环形接收极，避免中央区域有序性不佳的状态。（3）旋转接收极特殊的成膜形式，使得纤维膜在圆周方向具有较强的机械强度，不同于一般沿直线方向的横向机械强度和纵向机械强度。在圆周（曲线）方向较强的机械强度有利于推进有这方面需求的一些薄膜的特殊应用。参 考 文 献1 杨 颖, 贾志东, 李强, 关志成.

23、电纺丝技术及其应用J. 高电压技术, 2006, 32(11): 91-95.YANG Ying, JIA Zhidong, LI Qiang, GUAN Zhicheng. Electrospinningand its application J. High Voltage Engineering, 2006, 32(11): 91-95.2Wang XY, Drew C, Lee S-H, et al. Electrospun nanofibrous membranesfor highly sensitive optical sensors J. Nano Leeters, 2002, 2

24、(11):1273-1275.3 Norris ID, Shaker M.M, Ko FK, Macdiarmid A.G. Electrostaticfabrication of ultrafine conducting fibers: polyaniline/polyethylene oxideblends J. Synthetic Metals, 2000, 114(2): 109-114.4 Tsai P.P., Schreuder-Gibson H., Gibson P. Different electrostaticmethods for making electret filters J. Journal of electrostatics, 2002,54(3-4): 333-341.5 Jeong SI, Kim SY, Cho SK, Chong MS, et al. Tissue-engineeredv