電紡聚合物納米纖維自組裝蜂窩狀排列有序結構的研究.pdf

1、靜電紡絲是一種利用靜電場力制備聚合物連續(xù)納米纖維的方法,具有簡單、高效和多功能性的優(yōu)點。電紡納米纖維在多個領域已顯示出應用價值,如功能織物、復合材料、藥物傳輸、組織工程支架、傳感器、催化、電子器件等。在由靜電紡絲制備的纖維膜中納米纖維一般呈現(xiàn)無序排列,但許多應用領域如能源器件、組織工程支架以及電子器件等要求纖維具有適當的有序結構。目前電紡納米纖維有序結構通常是利用特殊設計的收集裝置來實現(xiàn)的,制備工藝比較復雜,且僅能制備一些簡單的有序結構

2、如單軸定向及交叉定向的納米纖維,而復雜的有序纖維結構則是利用特殊收集裝置難以實現(xiàn)的。
　　自組裝是一種利用自然力制備有序納米結構的方法,可以實現(xiàn)傳統(tǒng)上需要昂貴設備和繁瑣工藝才能制備的復雜結構,具有重要的科學意義和應用價值。本論文研究了電紡過程中發(fā)生的納米纖維自組裝形成蜂窩狀排列有序結構的現(xiàn)象,揭示了這種自組裝現(xiàn)象的物理機制,建立了通過自組裝現(xiàn)象制備蜂窩狀結構纖維薄膜的工藝,并成功制備了多種聚合物的蜂窩結構纖維薄膜。
　　本論

3、文選用了幾種靜電紡絲技術中常見的聚合物,采用普通的鋁片、玻璃片和塑料薄膜等作為收集基底進行靜電紡絲。通過實驗發(fā)現(xiàn)在合適的工藝和環(huán)境條件下,電紡納米纖維在落到收集基底上時可以直接自組裝成為規(guī)則的蜂窩狀排列有序結構。聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)這三種聚合物的電紡納米纖維在合適的條件下都成功地自組裝成了類似的蜂窩狀結構。這種蜂窩狀結構的特點包括:孔的外形多呈現(xiàn)規(guī)則的多邊形,其中六邊形居多;多邊形孔的孔壁之間大多

4、成120o夾角,呈現(xiàn)三分枝形貌;孔壁由珠粒狀納米纖維彼此平行堆積構成,纖維的軸向與基底表面平行,纖維之間彼此部分或全部黏結在一起,有時形成多孔形貌。本文主要研究了各種實驗條件對自組裝蜂窩結構的影響規(guī)律、自組裝蜂窩結構形核以及隨時間演化的規(guī)律。
　　自組裝的發(fā)生強烈依賴于溶液濃度。隨著濃度的增加電紡產物從單純的珠粒轉變?yōu)橹榱钸B續(xù)納米纖維再到直徑均勻表面平整的連續(xù)納米纖維,在這三種電紡產物中只有珠粒狀納米纖維才能發(fā)生自組裝現(xiàn)象。進一

5、步研究發(fā)現(xiàn)自組裝蜂窩狀結構的形貌對珠粒狀納米纖維本身的結構有依賴性。隨著濃度的增加珠粒狀納米纖維的結構也發(fā)生變化,珠粒部分的直徑和在纖維上的分布密度都減小,而只有一定濃度下形成的滿足一定結構要求的珠粒狀納米纖維才能自組裝成為規(guī)則的蜂窩狀排列有序結構。
　　環(huán)境濕度對電紡納米纖維的自組裝有重要的影響。對于 PEO、PVA、PAN這三種材料的研究表明規(guī)則的自組裝蜂窩狀結構只能在一個環(huán)境濕度范圍內才能形成。其它電紡實驗條件如電壓、基底到

6、噴口的距離、基底導電性、聚合物分子量、沉積時間等對電紡納米纖維的自組裝行為都有不同程度的影響。蜂窩狀結構的孔徑隨電壓的增加而增加,隨接收距離的增加而減小;而蜂窩狀結構在導電性較好的基底上孔徑較小。此外蜂窩狀結構形成所對應的電紡溶液的濃度隨著聚合物分子量的增加而減小,其能夠形成的濃度區(qū)間也變窄。蜂窩狀結構表現(xiàn)出時間依賴性,孔徑隨著時間的增加而增加但逐漸趨向于一個穩(wěn)定值,孔徑的分布也逐漸變得均勻。
　　本文基于大量實驗現(xiàn)象揭示了電紡納

7、米纖維自組裝的驅動力,即表面張力以及纖維彼此之間的靜電斥力。本文以此為基礎建立了解釋電紡納米纖維自組裝過程和結構的物理模型。靜電紡絲過程中可以通過調節(jié)實驗條件使電紡納米纖維在沉積到基底上時保持濕的狀態(tài),這些纖維在接觸時受到表面張力的作用而趨向于彼此溶合,而纖維之間的靜電斥力則傾向于使纖維之間彼此分離。納米纖維在這兩種力的競爭作用下會自組裝成為蜂窩狀排列的有序結構。基于該模型本文還討論了各種實驗條件對電紡納米纖維自組裝行為的影響。