离心纺丝技术综述:所制备的纤维与应用


离心纺丝技术是一种重要的纺织加工方法,它可以制备出具有纳米级纤维结构的纤维材料。在材料工程领域,离心纺丝技术已经得到了广泛的应用,包括生物医学、能源、环境、纺织、电子、传感器等领域。本文将从离心纺丝技术的基本原理、工艺条件、材料特性以及应用领域等方面进行综述。
 

1.离心纺丝技术的基本原理
离心纺丝技术是一种利用旋转力将高分子溶液或熔体喷出成纳米级纤维的方法。在离心纺丝过程中,高分子溶液或熔体首先通过一定的喷丝器件将其喷出,然后在旋转的离心力作用下,高分子溶液或熔体会被拉伸成极细的纤维,最终在收集器上形成纳米级纤维膜或纤维束。离心纺丝技术是一种简单、高效、低成本的制备纳米级纤维材料的方法。


图1 离心纺丝装置

 

2.离心纺丝工艺条件
离心纺丝技术的工艺条件包括高分子溶液的性质、喷丝器件的结构和参数、离心转速和温度等。例如有研究研究表明,纤维直径随着浓度、喷嘴直径、喷嘴长度和转速的增加而减小。有研究在6 wt% PEO,将转速从 250增加到6000 rpm导致纤维直径显着减小(315 到 130 nm)。转速从 7500 增加到 9000 rpm 时,PEO 纤维直径从 268 nm 减少到 95 nm。

 

3.离心纺丝材料的特性
离心纺丝制备的纳米级纤维材料具有许多独特的特性,如高比表面积、高孔隙率、高比强度和高比模量等。此外,离心纺丝技术还可以制备出具有不同形态和结构的纳米级纤维材料,如纳米纤维膜、纳米纤维束、纳米纤维网等,这些纳米级纤维材料在生物医学、环境、能源等领域具有广泛的应用前景。

图2 (a) 离心纺纤维的 SEM 图像; (b) EC/PVP 混合电纺纤维,比例为 90%/10%,乙醇/水比例为 70%/30%


4.离心纺丝技术的应用领域
离心纺丝技术在生物医学、离心纺丝技术在生物医学、环境、能源等领域具有广泛的应用前景。


4.1 生物医药
纳米纤维还被用于许多生物医学领域,例如组织工程支架、伤口愈合、血管、皮肤和药物输送系统。组织工程是生物材料的一个领域,其中对离心纺纤维的需求正迅速变得重要。因为该领域开发的纤维合成生物材料,细胞需要在其中生长成组织。对于组织工程而言,特别需要对齐结构(如神经、肌肉和肌腱)的支架,具有对齐和互连的孔网络非常重要。有研究团队用离心纺制造 PLLA-PVP 复合纤维组织支架。PLLA/PVP 混合物增加了纳米级表面孔隙率和纤维亲水性。在各种转速下的一系列 PLLA-PVP 聚合物比率,获得的最大纤维直径为 7542 nm(PLLA/PVP 比例为 100:0),获得的最小纤维直径为 63 nm(PLLA/PVP 比例为 0:100)。目前离心纺系统被广泛研究以制造细孔纤维,比如离心纺 PLLA/PVP 混合物、PCL、明胶基组织工程支架;PCL/PVP共混物和基于PCL的药物释放载体。

 

图3(a) PLLA/PVP 复合纤维中不同 PLLA 含量的细胞附着。(b) 接种心肌细胞、神经元和瓣膜间质细胞 (VIC) 的离心纺 PCL 和 PCL/胶原混合物的 SEM 图像


4.2环境
在环境领域,离心纺丝技术可以制备出高效的纳米级吸附材料,如纳米级纤维膜、纳米纤维球等,可以应用于污染物的吸附和分离、水处理、气体处理等方面。

过滤过程从空气或液体中去除固体和微粒、污染物。过滤效率、压降、通量和机械稳定性是清洁耐用过滤介质的重要参数。大于纤维孔径的较大颗粒被阻挡在过滤器表面。因此,具有高表面积的较小纤维直径在过滤应用中是最佳。纳米纤维通过改善“滑动效应”来提高过滤效率,以降低气流阻力,这将导致过滤介质上的压降更小,从而在过滤应用中提供更高的过滤效率和相对较低的压降。基于二氧化硅 (SiO 2) 的离心纺非织造多孔膜,PVP,热塑性聚氨酯(TPU)和PAN已被报道为空气、气溶胶和颗粒过滤的过滤介质。由于离心纺纤维的高度多孔和可调孔结构并提供快速和廉价的纳米纤维生产,具有可调的化学和物理性能,以获得高过滤效率和低压降。

 

4.3能源
在能源领域,离心纺丝具有高速、易于放大和成本效益高等特点,是制造纳米纤维的有效替代方法。这些材料可以用于超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等方面。

离心纺织纤维也被用作锂离子电池的分离器材料,因为它们具有高度多孔的结构,而且效果很好。已有研究报道其有优异的结果。例如, SiO2/PAN 离心纺织纳米纤维被研究作为锂离子电池分离器的应用。将离心纺织 12 wt% SiO2/PAN 分离器组装到电池(Li/LiFePO4)中,使用离心纺织分离器的电池表现出非常稳定的充放电行为和良好的循环性能。最高初始放电容量为 163 mAh/g,在 0.2 C/0.2 C 的充放电速率下,观察到没有明显的容量损失。并且随着 C 率的增加,它们表现出较少的容量衰减。这是由于高孔隙率、低界面电阻和高离子导电率所致。Yanilmaz 和 Zhang 将 PMMA/PAN 分离器组装到 Li/LiFePO4 电池中,并将其性能与商业微孔 PP 膜进行了比较。PMMA/PAN(50/50)分离器的电池在 0.2 C 下显示出最高容量为 162 mAh/g。由于纤维结构,达到了73%的高孔隙率和3.2 mS cm-1的高离子导电率。因此,认为基于离心纺织纤维的分离器可以成为高性能锂离子电池分离器的良好替代品。




图4(A) 包含各种膜的Li/LiFePO4电池的倍率性能。(B) 离心纺纤维膜 (a) 在180℃热处理前和 (b) 热处理后0.5小时

 

纳米纤维除了用作电池的隔膜外,还可以用作电池电极,作为负极材料或正极材料。传统电池材料存在体积变化大、粉化、漏液、膨胀、爆炸、电导率低等问题,而纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率、良好的互连多孔结构和机械柔韧性,可增强机械完整性。


图5 (A) 实验室规模离心纺丝机;(B) PAN/SnCl2前体纤维;(C) SnO2微纤维和;(D)接枝有 Sn/C 晶须的碳涂层 SnO2微纤维的示意图

 

此外,离心纺丝技术还可以应用于纺织、电子、传感器等领域,制备出具有不同形态和结构的纳米级纤维材料,为相关领域的发展提供了新的可能性。

总之,离心纺丝技术作为一种简单、高效、低成本的制备纳米级纤维材料的方法,具有广泛的应用前景,对材料工程领域的发展和进步具有重要的意义。

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