靜電紡絲納米纖維的制備研究

朱彩紅 石培峰 呂張飛 胡迎春 汪成偉

摘 要：靜電紡絲的納米纖維具有高孔隙率和大比表面積等優點，但是其纖維的排列取向影響著納米纖維的質量及其在不同領域的應用價值。文章基于靜電紡絲原理，改進了靜電紡絲裝置中的接收器，通過試驗驗證了該裝置的有效性，取得了預期的效果。

關鍵詞：靜電紡絲；納米纖維；PLGA；掃描電鏡；纖維取向

納米科技是未來重要前沿科技之一，對該領域的探索應用極大地豐富了人們對世界的認知，并給人們的生活帶來變革。近年來納米材料在相關領域表現突出，制備納米材料的方法越來越豐富，靜電紡絲技術是制備納米纖維最有效的方法，已經成為研究熱點。靜電紡絲獲得的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高等優點，因此，在化工和電子、能源材料、生物醫學以及無機材料等諸多領域越來越顯示出應用潛力。靜電紡絲納米纖維應用領域不同，導致對其孔隙、排列取向和直徑分布要求都不相同。因此制備質量優良的納米纖維，通過提高相關工藝參數影響其關鍵性能指標，達到提升其應用的價值，具有十分重要的意義。

本文就是在傳統靜電紡絲裝置不能滿足需求的情況下，根據實際需求設計了一款接收器裝置，通過選擇電紡材料，配置溶液，以及對電紡的納米纖維進行電鏡掃描等一系列試驗，驗證了該接收器可以改進纖維的排列取向，提高纖維質量，提升纖維的應用價值。

1 靜電紡絲系統

Formhals在1934年的一篇專利中，闡述了通過利用靜電斥力，可以獲得高分子纖維絲的方法，即靜電紡絲法，原理是在強電場下，帶電聚合物被高倍拉伸。在電壓增大，電場逐漸增強的情況下，噴頭處的滴液逐漸被拉伸。當電壓調整到一定范圍時，帶電液滴在電場力作用下，形成泰勒錐。從泰勒錐尖端噴出高速射流，溶劑在運動過程中不斷揮發，逐漸增大了射流的電荷密度，通過細化分裂得到了靜電紡絲纖維。在高壓電源、接收器、供液泵、噴絲頭的共同作用下完成靜電紡絲，裝置原理如圖1所示。

對靜電紡絲裝置的優化，可以提高電紡纖維質量，極大地拓展電紡纖維的應用領域]。靜電紡絲的傳統系統一般由3部分組成：供液系統、高壓供電系統、接收系統。一般供液系統選擇注射泵、電壓選擇高壓直流供電，接收器一般接電源負極，常用的有平板式和滾筒式接收器]。靜電紡絲技術獲得了種類豐富的纖維品，裝置中的滾筒、網格、平板等傳統接收手段，已經不能滿足需求。本課題結合滾筒式接收器和平行電極式接收器兩者的特點，設計一種既可以獲得像平行電極式接收器那樣取向度，又可以像滾筒式接收器那樣一次獲得量比較多的接收器，即一種平行雙滾筒接收器。靜電紡絲裝置系統如圖2所示，兩平行滾筒形成的電場分布有利于納米纖維平行沉積，可實現大量收集。

平行雙滾筒接收器主要由滾筒、支持架、聯軸器和步進電機組成。此接收器還有如下特點：當作普通的單滾筒用（開一個電機關一個電機）；當作靜態平行條形電極用（兩個電機都關閉）；動態的平行雙滾筒電極。

2 實驗分析

2.1 溶液配置與電紡參數設定

本實驗采用聚乳酸一羥基乙酸共聚物（Poly （Lactic-co-Glycolic Acid），PLGA）為溶質進行溶液的配制，PLGA是一種可降解的功能高分子有機化合物，由隨機聚合乳酸和羥基乙酸而成，具有良好的生物相容性，在生物醫學工程領域有廣泛的用途。PLGA購買于濟南岱罡生物工程有限公司，相對分子質量5萬，乳酸和羥基乙酸的比例是50：50。溶劑是二甲基甲酰胺與四氫呋喃按1：3體積比混合成，用來溶解PLGA，用磁力攪拌器攪拌8h使得PLGA充分溶解，配制成濃度為25%的溶液。電紡時設置電壓為16 kV，流速是0.5 mL/h，接收器距離為20 cm。

2.2 納米纖維的形貌圖

為了清楚看到接收器不同情況下電紡纖維的形貌，設置了4種接收模式（見圖3）：（1）兩滾筒中一滾筒不接通電源負極、不旋轉，另一個接直流高壓電源負極、不旋轉，即普通平板接收器。（2）兩滾筒中一滾筒不接通電源負極、不旋轉，另一個接直流高壓電源負極、適當轉速旋轉，即普通滾筒接收器。（3）兩滾筒均接通直流高壓電源的負極、不旋轉，即平行條形電極接收器。（4）兩滾筒接直流高壓電源負極、旋轉，即新型的動態平行電極接收器。

將電紡獲得的納米纖維制成掃描電鏡樣本，在室溫下以10 mA電流噴金90 s，利用s-4800日立掃描電子顯微鏡，對樣本進行圖像掃描，來確定電紡納米纖維的形貌。

從圖中可以看出，a圖的纖維是雜亂無章的，b圖的纖維取向略好，c圖的纖維取向有提高，d圖的纖維取向明顯提高。試驗結果驗證了接收裝置的有效性。

3 結語

試驗結果驗證了利用改進的系統制備出的PLGA納米纖維，排列取向得到了提高。下一步工作將繼續研究電機轉速對纖維排列取向的影響，使電紡的PLGA納米纖維質量更高，提升其在化工和電子、無機材料和生物醫學等領域的應用價值。