本書依據(jù)作者研究團(tuán)隊(duì)的聚合物熔體微分靜電紡絲技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外納米纖維靜電紡絲的新研究進(jìn)展,從工藝的角度出發(fā),著重介紹了熔體靜電紡絲技術(shù)的原理、模擬分析及工藝進(jìn)展,并介紹了熔體靜電紡絲的工業(yè)化技術(shù)及應(yīng)用,后對(duì)聚合物納米靜電紡絲技術(shù)的未來進(jìn)行了展望。
本書可供從事納米纖維靜電紡絲及其相關(guān)領(lǐng)域研究的人員及高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生參考使用。
適讀人群 :本書可供從事納米纖維靜電紡絲及其相關(guān)領(lǐng)域研究的人員及高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生參考使用。
《納米材料前沿》是由材料及化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人共同完成的大型出版項(xiàng)目,是國(guó)家出版基金資助項(xiàng)目。13名主要著作責(zé)任者中,含6名中國(guó)科學(xué)院院士,其余全部為“長(zhǎng)江學(xué)者”或“杰出青年”。
本書是其中一個(gè)分冊(cè),由楊衛(wèi)民教授組織編寫,圖書主要介紹了楊衛(wèi)民研究團(tuán)隊(duì)在熔體靜電紡絲領(lǐng)域的研究成果,特別是在紡絲工藝方面的一些獨(dú)特思路,并綜述了近幾年靜電紡絲領(lǐng)域的發(fā)展。
自然界的納米纖維如蜘蛛絲和納米纖維素等,以其優(yōu)異的性能而廣受關(guān)注,但由于天然資源匱乏和生產(chǎn)成本偏高等原因,限制了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)納米纖維的人工制備是人類的百年夢(mèng)想。為此,全球范圍的眾多研究者開展了諸如直接拉伸法、相分離法、模板法、自組裝法、氣流紡絲法、離心紡絲法等多種途徑的艱難探索,近年來,脫穎而出的靜電紡絲技術(shù)已成為納米纖維這一新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
靜電紡絲技術(shù)探索雖然起源于20世紀(jì)30年代,但直到90年代才真正被關(guān)注,近20年來得到了蓬勃發(fā)展。它在材料適用性、工藝可控性、形貌多樣性等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,通過材料選擇、形貌控制和多種功能化后處理等,利用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維已經(jīng)廣泛用于能源、電子、生物醫(yī)藥、衛(wèi)生防護(hù)、催化劑負(fù)載等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2017年3月,以“靜電紡絲”為關(guān)鍵詞檢索的學(xué)術(shù)論文標(biāo)題數(shù)就多達(dá)26萬條。我國(guó)從事靜電紡絲技術(shù)和應(yīng)用研究者已達(dá)數(shù)萬人。因此,很有必要對(duì)近期研究成果進(jìn)行歸納總結(jié),為推動(dòng)納米纖維的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論支撐。
眾所周知,靜電紡絲技術(shù)與納米纖維的著作已經(jīng)有幾本面世,但主要是圍繞溶液靜電紡絲技術(shù)的材料配方和纖維形貌展開,鮮見關(guān)于溶劑綠色環(huán)保的熔體靜電紡絲技術(shù)的詳細(xì)描述,而且對(duì)于靜電紡絲工藝及裝置的創(chuàng)新成果的介紹也相對(duì)較少。因此,本書在簡(jiǎn)要介紹靜電紡絲歷史、紡絲原理及工藝的基礎(chǔ)上,通過大量研究實(shí)例描述了熔體靜電紡絲技術(shù)工藝特點(diǎn)和難點(diǎn),裝備進(jìn)展與應(yīng)用創(chuàng)新,特別是圍繞本團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的聚合物熔體微分靜電紡絲新原理、新方法、新技術(shù)和新裝備進(jìn)行了較為系統(tǒng)的介紹,充分展現(xiàn)出該創(chuàng)新方法相對(duì)于傳統(tǒng)毛細(xì)管法的明顯優(yōu)勢(shì)。最后,對(duì)聚合物靜電紡絲技術(shù)的未來發(fā)展方向提出了一些看法。
本書著述的聚合物熔體微分靜電紡絲原創(chuàng)成果,是團(tuán)隊(duì)廣大師生近十年來接力研究成果的高度濃縮。除封面所列的編著者以外,還有譚晶、程禮盛、丁玉梅、何雪濤、劉勇等老師,鄧榮堅(jiān)、郝明鳳、趙鳳雯、王欣、陳宏波、鐘祥烽、夏令濤、劉兆香、李小虎、吳衛(wèi)逢、馬帥、張羅、馬小路、馬穆德、李軼、秦永新、張艷萍、陳曉青、杜琳等同學(xué)為本書所列創(chuàng)新成果做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí),我們由衷地感謝王德禧、王篤金、劉國(guó)民、劉東升、楊小平等老師對(duì)我們這項(xiàng)科研工作的開展給予的大力支持,以及姚穆、俞建勇、胡平、丁彬、李從舉、劉太奇等老師對(duì)我們給予的熱情指導(dǎo);還要特別感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0302000)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51603009)和北京市自然科學(xué)基金(2141002)等為我們的研究工作提供了經(jīng)費(fèi)保障。
本書在萬立駿院士領(lǐng)銜的編委會(huì)指導(dǎo)下確定篇章結(jié)構(gòu)和內(nèi)容取舍標(biāo)準(zhǔn),撰寫時(shí)間比較寬裕,歷時(shí)三年數(shù)易其稿。但由于作者水平所限,書中難免有疏漏之處,希望廣大讀者批評(píng)指正,幫助我們不斷完善,從而為促進(jìn)納米新材料領(lǐng)域的知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)綿薄之力。
楊衛(wèi)民
2017年6月
教育部“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授。北京化工大學(xué)博導(dǎo),教授,曾任機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)際交流與合作處處長(zhǎng)。先后入選北京市“新星計(jì)劃”(1999年),教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”(2011年)。主要研究領(lǐng)域?yàn)椤案叻肿硬牧霞庸こ尚团c先進(jìn)制造”,近五年主持國(guó)家自然科學(xué)基金和科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目等30余項(xiàng)并取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果,開辟了聚合物熔體微分超細(xì)纖維靜電紡絲的新途徑、發(fā)明了微積分單元組合轉(zhuǎn)子擾流強(qiáng)化傳熱“節(jié)能減排”新方法等,研究成果申請(qǐng)發(fā)明專利270項(xiàng)(已授權(quán)108項(xiàng)),PCT國(guó)際專利9項(xiàng),已獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng),省部級(jí)科技獎(jiǎng)10項(xiàng),發(fā)表中、英、日三種文字的學(xué)術(shù)論文380余篇,著作8本(含英文著作1本),譯著3本;還曾榮獲“侯德榜化工科技創(chuàng)新獎(jiǎng)等。
第1章緒論001
1.1 聚合物納米纖維與靜電紡絲的發(fā)展 002
1.1.1 納米纖維及其制備技術(shù) 003
1.1.2 靜電紡絲技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 005
1.2 聚合物靜電紡絲技術(shù)分類與特點(diǎn) 010
參考文獻(xiàn) 013
第2章聚合物溶液靜電紡絲技術(shù)017
2.1 聚合物溶液靜電紡絲原理 018
2.1.1 泰勒錐 019
2.1.2 閾值(臨界)電壓 019
2.1.3 射流穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)段 020
2.1.4 射流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)段 021
2.1.5 射流直徑的計(jì)算 022
2.1.6 電暈現(xiàn)象 024
2.2 聚合物溶液靜電紡絲材料 025
2.3 聚合物溶液靜電紡絲設(shè)備 027
2.4 聚合物溶液靜電紡絲過程 032
2.4.1 溶液黏度 033
2.4.2 溶液表面張力和電導(dǎo)率 033
2.4.3 電場(chǎng) 034
2.4.4 收集距離 034
2.4.5 進(jìn)料速率 035
2.4.6 環(huán)境參數(shù) 035
參考文獻(xiàn) 036
第3章聚合物熔體靜電紡絲技術(shù)039
3.1 聚合物熔體靜電紡絲裝置 040
3.2 聚合物熔體微分靜電紡絲的提出 045
3.3 聚合物熔體靜電紡絲材料 049
3.4 聚合物熔體微分靜電紡絲射流間距的理論分析 051
3.4.1 射流間距的定義 051
3.4.2 射流間距分析模型的建立 052
3.4.3 射流間距模型的數(shù)學(xué)分析 053
3.5 聚合物熔體微分靜電紡絲射流間距的實(shí)驗(yàn)研究 058
3.5.1 勻強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)射流間距的影響 060
3.5.2 最大電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)射流間距的影響 062
3.5.3 熔體黏度對(duì)射流間距的影響 065
3.5.4 進(jìn)給流量對(duì)射流間距的影響 066
3.6 小結(jié) 067
參考文獻(xiàn) 068
第4章聚合物靜電紡絲的模擬分析071
4.1 靜電紡絲建模相關(guān)研究進(jìn)展 072
4.2 熔體靜電紡絲中電場(chǎng)分布規(guī)律 074
4.2.1 有限元模擬方法簡(jiǎn)介 074
4.2.2 電場(chǎng)模型建立與參數(shù)選擇 075
4.2.3 紡絲噴頭對(duì)電場(chǎng)分布規(guī)律的影響 084
4.2.4 不同接收電極的電場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比 090
4.2.5 輔助結(jié)構(gòu)對(duì)紡絲電場(chǎng)的影響 094
4.3 拔河效應(yīng)介觀模擬分析 096
4.3.1 耗散粒子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介 097
4.3.2 彈簧系數(shù)對(duì)拔河效應(yīng)的影響 101
4.3.3 聚合物鏈長(zhǎng)對(duì)拔河效應(yīng)的影響 103
4.3.4 聚合物黏度對(duì)拔河效應(yīng)的影響 104
4.4 射流細(xì)化的理論分析 106
4.4.1 模型的建立 106
4.4.2 理論分析 108
參考文獻(xiàn) 112
第5章熔體微分靜電紡絲工藝115
5.1 電場(chǎng) 116
5.1.1 紡絲電壓對(duì)纖維直徑的影響 116
5.1.2 紡絲距離對(duì)纖維直徑的影響 119
5.2 分子量與熔體黏度 121
5.2.1 纖維的制備 122
5.2.2 聚合物分子量對(duì)熔體微分電紡纖維的影響 123
5.3 進(jìn)給流量 127
5.4 氣流輔助工藝 130
5.4.1 氣流輔助裝置 130
5.4.2 氣流速度與纖維直徑的關(guān)系 132
5.5 小結(jié) 133
參考文獻(xiàn) 134
第6章靜電紡絲的工業(yè)化技術(shù)137
6.1 溶液靜電紡絲工業(yè)化技術(shù) 138
6.1.1 多針頭靜電紡絲設(shè)備 138
6.1.2 針多射流靜電紡絲設(shè)備 141
6.2 熔體靜電紡絲工業(yè)化技術(shù) 150
6.2.1 熔體微分靜電紡絲單噴頭設(shè)備 151
6.2.2 熔體微分靜電紡絲4噴頭設(shè)備 156
6.2.3 熔體微分靜電紡絲32噴頭設(shè)備 158
6.2.4 設(shè)備設(shè)計(jì)流程與關(guān)鍵點(diǎn) 163
參考文獻(xiàn) 164
第7章靜電紡絲納米纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展167
7.1 靜電紡絲納米纖維在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 168
7.1.1 高效過濾 169
7.1.2 催化氧化 170
7.1.3 吸附 172
7.1.4 固定酶及其他 176
7.2 生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 177
7.2.1 藥物緩釋 178
7.2.2 組織工程 180
7.2.3 傷口敷料 183
7.2.4 小結(jié) 184
7.3 靜電紡絲納米纖維在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 185
7.3.1 鋰離子電池材料 185
7.3.2 燃料電池材料 188
7.3.3 超級(jí)電容器材料 189
參考文獻(xiàn) 190
第8章靜電紡絲納米捻線199
8.1 概述 200
8.2 納米纖維捻線的制備方法 201
8.3 展望 208
參考文獻(xiàn) 208
第9章聚合物納米纖維靜電紡絲技術(shù)的未來211
索引 214