纳米材料前沿–纳米纤维静电纺丝

《纳米材料前沿》是由材料及化学领域的学术带头人共同完成的大型出版项目，是国家出版基金资助项目。13名主要著作责任者中，含6名中国科学院院士，其余全部为“长江学者”或“杰出青年”。本书是其中一个分册，由杨卫民教授组织编写，图书主要介绍了杨卫民研究团队在熔体静电纺丝领域的研究成果，特别是在纺丝工艺方面的一些独特思路，并综述了近几年静电纺丝领域的发展。 

本书依据作者研究团队首创的聚合物熔体微分静电纺丝技术以及国内外纳米纤维静电纺丝的*研究进展，从工艺的角度出发，着重介绍了熔体静电纺丝技术的原理、模拟分析及工艺进展，并介绍了熔体静电纺丝的工业化技术及应用，*后对聚合物纳米静电纺丝技术的未来进行了展望。本书可供从事纳米纤维静电纺丝及其相关领域研究的人员及高等院校相关专业学生参考使用。

教育部“长江学者”特聘教授。北京化工大学博导，教授，曾任机械工程学院院长、国际交流与合作处处长。先后入选北京市“新星计划”（1999年），教育部“长江学者奖励计划”（2011年）。主要研究领域为“高分子材料加工成型与先进制造”，近五年主持国家自然科学基金和科技支撑计划重点项目等30余项并取得多项创新成果，开辟了聚合物熔体微分超细纤维静电纺丝的新途径、发明了微积分单元组合转子扰流强化传热“节能减排”新方法等，研究成果申请发明专利270项（已授权108项），PCT国际专利9项，已获得国家科技进步奖2项，省部级科技奖10项，发表中、英、日三种文字的学术论文380余篇，著作8本（含英文著作1本），译著3本；还曾荣获“侯德榜化工科技创新奖等。

第1章绪论001

1.1　聚合物纳米纤维与静电纺丝的发展 002

1.1.1　纳米纤维及其制备技术 003

1.1.2　静电纺丝技术发展简史 005

1.2　聚合物静电纺丝技术分类与特点 010

参考文献 013

第2章聚合物溶液静电纺丝技术017

2.1　聚合物溶液静电纺丝原理 018

2.1.1　泰勒锥 019

2.1.2　阈值（临界）电压 019

2.1.3　射流稳定运动段 020

2.1.4　射流不稳定运动段 021

2.1.5　射流直径的计算 022

2.1.6　电晕现象 024

2.2　聚合物溶液静电纺丝材料 025

2.3　聚合物溶液静电纺丝设备 027

2.4　聚合物溶液静电纺丝过程 032

2.4.1　溶液黏度 033

2.4.2　溶液表面张力和电导率 033

2.4.3　电场 034

2.4.4　收集距离 034

2.4.5　进料速率 035

2.4.6　环境参数 035

参考文献 036

第3章聚合物熔体静电纺丝技术039

3.1　聚合物熔体静电纺丝装置 040

3.2　聚合物熔体微分静电纺丝的提出 045

3.3　聚合物熔体静电纺丝材料 049

3.4　聚合物熔体微分静电纺丝射流间距的理论分析 051

3.4.1　射流间距的定义 051

3.4.2　射流间距分析模型的建立 052

3.4.3　射流间距模型的数学分析 053

3.5　聚合物熔体微分静电纺丝射流间距的实验研究 058

3.5.1　匀强电场强度对射流间距的影响 060

3.5.2　最大电场强度对射流间距的影响 062

3.5.3　熔体黏度对射流间距的影响 065

3.5.4　进给流量对射流间距的影响 066

3.6　小结 067

参考文献 068

第4章聚合物静电纺丝的模拟分析071

4.1　静电纺丝建模相关研究进展 072

4.2　熔体静电纺丝中电场分布规律 074

4.2.1　有限元模拟方法简介 074

4.2.2　电场模型建立与参数选择 075

4.2.3　纺丝喷头对电场分布规律的影响 084

4.2.4　不同接收电极的电场模拟和实验对比 090

4.2.5　辅助结构对纺丝电场的影响 094

4.3　拔河效应介观模拟分析 096

4.3.1　耗散粒子动力学简介 097

4.3.2　弹簧系数对拔河效应的影响 101

4.3.3　聚合物链长对拔河效应的影响 103

4.3.4　聚合物黏度对拔河效应的影响 104

4.4　射流细化的理论分析 106

4.4.1　模型的建立 106

4.4.2　理论分析 108

参考文献 112

第5章熔体微分静电纺丝工艺115

5.1　电场 116

5.1.1　纺丝电压对纤维直径的影响 116

5.1.2　纺丝距离对纤维直径的影响 119

5.2　分子量与熔体黏度 121

5.2.1　纤维的制备 122

5.2.2　聚合物分子量对熔体微分电纺纤维的影响 123

5.3　进给流量 127

5.4　气流辅助工艺 130

5.4.1　气流辅助装置 130

5.4.2　气流速度与纤维直径的关系 132

5.5　小结 133

参考文献 134

第6章静电纺丝的工业化技术137

6.1　溶液静电纺丝工业化技术 138

6.1.1　多针头静电纺丝设备 138

6.1.2　无针多射流静电纺丝设备 141

6.2　熔体静电纺丝工业化技术 150

6.2.1　熔体微分静电纺丝单喷头设备 151

6.2.2　熔体微分静电纺丝4喷头设备 156

6.2.3　熔体微分静电纺丝32喷头设备 158

6.2.4　设备设计流程与关键点 163

参考文献 164

第7章静电纺丝纳米纤维的应用研究进展167

7.1　静电纺丝纳米纤维在环境污染治理中的应用 168

7.1.1　高效过滤 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　生物医药领域的应用 177

7.2.1　药物缓释 178

7.2.2　组织工程 180

7.2.3　伤口敷料 183

7.2.4　小结 184

7.3　静电纺丝纳米纤维在能源领域的应用 185

7.3.1　锂离子电池材料 185

7.3.2　燃料电池材料 188

7.3.3　超级电容器材料 189

参考文献 190

第8章静电纺丝纳米捻线199

8.1　概述 200

8.2　纳米纤维捻线的制备方法 201

8.3　展望 208

参考文献 208

第9章聚合物纳米纤维静电纺丝技术的未来211

索引 214

 

自然界的纳米纤维如蜘蛛丝和纳米纤维素等，以其优异的性能而广受关注，但由于天然资源匮乏和生产成本偏高等原因，限制了大规模产业化发展。如何实现纳米纤维的人工制备是人类的百年梦想。为此，全球范围的众多研究者开展了诸如直接拉伸法、相分离法、模板法、自组装法、气流纺丝法、离心纺丝法等多种途径的艰难探索，近年来，脱颖而出的静电纺丝技术已成为纳米纤维这一新材料领域的研究热点。静电纺丝技术探索虽然起源于20世纪30年代，但直到90年代才真正被关注，近20年来得到了蓬勃发展。它在材料适用性、工艺可控性、形貌多样性等方面表现出了巨大的优势和广阔的应用前景，通过材料选择、形貌控制和多种功能化后处理等，利用静电纺丝技术制备的纳米纤维已经广泛用于能源、电子、生物医药、卫生防护、催化剂负载等领域。据统计，截至2017年3月，以“静电纺丝”为关键词检索的学术论文标题数就多达26万条。我国从事静电纺丝技术和应用研究者已达数万人。因此，很有必要对近期研究成果进行归纳总结，为推动纳米纤维的产业化发展提供理论支撑。众所周知，静电纺丝技术与纳米纤维的著作已经有几本面世，但主要是围绕溶液静电纺丝技术的材料配方和纤维形貌展开，鲜见关于无溶剂绿色环保的熔体静电纺丝技术的详细描述，而且对于静电纺丝工艺及装置的创新成果的介绍也相对较少。因此，本书在简要介绍静电纺丝历史、纺丝原理及工艺的基础上，通过大量研究实例描述了熔体静电纺丝技术工艺特点和难点，装备进展与应用创新，特别是围绕本团队首创的聚合物熔体微分静电纺丝新原理、新方法、新技术和新装备进行了较为系统的介绍，充分展现出该创新方法相对于传统毛细管法的明显优势。最后，对聚合物静电纺丝技术的未来发展方向提出了一些看法。本书著述的聚合物熔体微分静电纺丝原创成果，是团队广大师生近十年来接力研究成果的高度浓缩。除封面所列的编著者以外，还有谭晶、程礼盛、丁玉梅、何雪涛、刘勇等老师，邓荣坚、郝明凤、赵凤雯、王欣、陈宏波、钟祥烽、夏令涛、刘兆香、李小虎、吴卫逢、马帅、张罗、马小路、马穆德、李轶、秦永新、张艳萍、陈晓青、杜琳等同学为本书所列创新成果做出了重要贡献。同时，我们由衷地感谢王德禧、王笃金、刘国民、刘东升、杨小平等老师对我们这项科研工作的开展给予的大力支持，以及姚穆、俞建勇、胡平、丁彬、李从举、刘太奇等老师对我们给予的热情指导；还要特别感谢国家重点研发计划（2016YFB0302000）、国家自然科学基金（51603009）和北京市自然科学基金（2141002）等为我们的研究工作提供了经费保障。本书在万立骏院士领衔的编委会指导下确定篇章结构和内容取舍标准，撰写时间比较宽裕，历时三年数易其稿。但由于作者水平所限，书中难免有疏漏之处，希望广大读者批评指正，帮助我们不断完善，从而为促进纳米新材料领域的知识创新和技术进步贡献绵薄之力。杨卫民2017年6月