400-823-0080
info@biofabrication.cn     
当前位置: 主页 > 资料视频 > 经验技巧 > 一文了解“静电纺丝”与“静电喷雾”的区别

一文了解“静电纺丝”与“静电喷雾”的区别

经验技巧    2022-11-18 17:10

在制备纳米材料的各种方法中,“静电纺丝”和“静电喷雾”技术具有简便、高效和可连续制备纳米纤维、微/纳米颗粒的优势,引起了研究学者的广泛关注。

 

“静电纺丝”和“静电喷雾”仅有一字之差,获得的纳米材料形貌却千差万别。很多同学不明白这2种技术之间到底有什么区别?以及如何调控参数,才能获得纳米纤维、微/纳米颗粒或者纳米纤维复合纳米颗粒?今天,笔者给大家梳理一下“静电纺丝”与“静电喷雾”的详细区别。包括:原理、设备、溶液体系、获得材料的形貌,以及如何调控参数。

 

什么是静电纺丝?

 

静电纺丝技术(electrospinning/electrospun),是一种简单有效地制备各种有机聚合物纳米纤维的方法。其基本原理是将聚合物溶液或熔体置于高压静电场中,使其带电并产生形变,在喷头末端处形成泰勒锥液滴。当液滴表面的电荷斥力超过表面张力时,在液滴表面会高速喷射出聚合物微小液滴,简称“射流”。这些射流经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发和固化,最终沉积在接收板上,形成聚合物纤维,即静电纺丝。

 

图1 静电纺丝装置示意图和射流路径的示意图。

 

静电纺丝的特点及应用:静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有大比表面积、高孔隙率和表面可功能化等特点,在电子能源、传感器、催化反应、过滤分离、生物医学等领域都具有广泛的应用前景。

 

什么是静电喷雾?

 

静电喷雾技术(electrospraying/electrospray),是通过高压静电使从针头喷出的聚合物液滴带电,然后通过液滴中溶剂挥发制备聚合物微/纳米颗粒的一种简易方法。

静电喷雾基本原理:在喷头与接收装置之间建立一个高压静电场,带电液滴理论表明液滴在外加高压静电场的作用下,会在液滴内部形成静电场力,同时液滴也受到一个与电场力相反的表面张力的作用。随着电场强度逐渐增大,电场力克服表面张力,使得带电液滴发生不稳定爆裂,形成微米级或纳米级的带电液滴,这就是静电喷雾的现象。静电喷雾过程中,微小的液滴溶剂不断挥发,固化成为微/纳米颗粒,随后落在接收器上,这种方法可收集到粒径单分散的微/纳米颗粒。

 

图2 静电喷雾法制备微纳米微球的装置示意图。

 

静电喷雾的特点及应用:通过静电喷雾技术制备的微/纳米颗粒单分散性好、纯度高,直径可以达到微/纳米尺度。可一步成形,不需要额外添加模板和后处理步骤。近年来,静电喷雾的多种特点使其在薄膜、表面涂层、能量存储、纳米材料制备、空间飞行器推进、喷墨打印、燃料雾化、农业喷雾等领域得到广泛应用。

 

“静电纺丝”与“静电喷雾”相同点

 

静电喷雾和静电纺丝都是静电射流技术的两种形式,原理和装置都相似。原理:通过高压静电使从针头喷出的聚合物液滴带电,然后通过液滴中溶剂挥发制备聚合物材料。

 

基本的电纺/电喷装置都是主要有三个部分组成(图1、图2):高压电源、喷头及液体供给装置、接收装置。

 

“静电纺丝”与“静电喷雾”不同点

 

“静电纺丝”与“静电喷雾”的区别在于射流溶液参数的不同,使得产物的形态不同静电纺丝前驱体溶液的粘度较大,分子链间的缠结多且紧密,产物为纳米纤维膜。静电喷雾前驱体溶液粘度较小,分子链之间的缠结较少,产物为微/纳米颗粒

 

图3 高分子溶液浓度、进样速率和电压对静电纺丝/静电喷雾微纳结构的影响。

 

不同参数对获得材料形貌的影响

 

在静电纺丝/静电喷雾过程中,除了基体材料的不同,产物的结构和性能还由电纺/电喷参数决定。通过不同的工艺参数条件可得到不同直径、形貌和表面二级结构的超细纤维/粒子。比如,一定参数下,较低的高分子浓度也会形成粒子、串珠、盘状等结构的电喷产物,此过程一般也称为“静电喷雾”。

 

如图3所示,通过调整高分子溶液浓度、改变进样速率和外加电压,得到的粒子形态结构也会发生改变;增加浓度,产物会由塌陷颗粒形成光滑的微/纳米颗粒,随着浓度的增加,会形成串珠状;最终形成纤维,也就是静电纺丝。

 

表1 静电纺丝/静电喷雾过程的主要影响参数

 

 

静电纺丝结合静电喷雾,开发高性能多功能材料

 

研究者发现,正是静电纺丝与静电喷雾有上述不同之处,可以将2种技术创新性地结合起来,开发新型高性能多功能的纳米材料。静电喷雾通过调控参数,可用于在纳米纤维膜上制造微/纳米颗粒修饰,赋予电纺膜更优异的多功能性。另外,以静电纺纳米纤维作为基体,可以使微/纳米颗粒分布更均匀,防止微/纳米颗粒团聚,提高微/纳米颗粒本身的性能,从而提升整个复合材料的性能。

 

图4 静电纺丝结合静电喷雾的原理图。

 

例如,中科院宁波研究所李润伟研究员团队利用静电纺丝和静电喷雾同时进行原位复合,制备出具有柔性自适应导电界面的超稳定可拉伸电极。新加坡南洋理工大学李佩诗教授等人采用静电纺丝和静电喷雾制备了复合薄膜,构建了超拉伸透气摩擦纳米发电机。南京理工大学李健生教授团队先用静电纺丝制备纳米纤维基体,然后用静电喷雾制备微球颗粒,形成两面具有不同性能的Janus结构纤维膜。武汉大学唐炬等人采用同步静电纺丝制备纳米纤维,电喷雾法制备含氟SiO2纳米粒子,制备出具有全向超弹性、透水性和超疏水性的微纤维膜。

 

图5 静电纺丝结合静电喷雾的应用案例。

 

北京永康乐业SS-X3可实现静电纺丝+静电喷雾

 

永康乐业公司的SS-X3型号静电纺丝设备集成了静电纺丝和静电喷雾两种不同纳米材料制备方式,可实现静电纺丝、静电喷雾、静电纺丝结合静电喷雾等多种不同的制备方法。不仅可以在纳米纤维初生表面原位形成纳米颗粒的沉积,形成对纳米纤维的修饰,还可以形成不同成分的纳米颗粒之间的杂化结构,从而获得高性能、多功能复合纳米材料。除了SS-X3外,永康乐业还有其他3系列,7个型号都能实现静电纺丝/静电喷雾

 

永康乐业SS-X3静电纺丝机

 

充分了解静电纺丝与静电喷雾的区别后,才能更好地利用这2种技术。希望通过本文的梳理,你对静电纺丝和静电喷雾有更深层次的理解,制备出性能更优异的纳米纤维、微/纳米颗粒或者纳米纤维复合微/纳米颗粒!

 

参考文献:

 

1. Jiajia Xue , Tong Wu, et al. Electrospinning and Electrospun Nanofibers: Methods, Materials, and Applications. Chemical Reviews. 2019. DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b00593

 

2. 杨月梅.高压静电抗溶剂法制备聚乳酸实心/多孔微球的研究【D】.华侨大学,2012.

 

3. Maedeh Zamani, M.P.P., Seeram, R., Advances in drug delivery via electrospun and electrosprayed nanomaterials[J]. International Journal of Nanomedicine, 2013.  DOI: 10.2147/ijn.s43575

 

4. Jinwei Cao, et al. Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction. InfoMat. 2022. DOI: 10.1002/inf2.12302

 

5. Guangming Tan, et al. Tailoring pore size and interface of superhydrophobic nanofibrous membrane for robust scaling resistance and flux enhancement in membrane distillation. Journal of Membrane Science. 2022. DOI: 10.1016/j.memsci.2022.120751