靜電紡絲文獻綜述

1、北京化工大學畢業(yè)設計開題報告題目學院：材料科學與工程學院專業(yè)： 班級：姓名：指導教師：專業(yè)負責人：指導老師意見:指導老師簽字:日期： 年 月 日日期:靜電紡絲文獻綜述摘要：靜電紡絲技術自從2000年以后進入快速發(fā)展期，論文和專利都成指數(shù)型增長。 目前，研究的現(xiàn)狀從這些研究的內(nèi)容看，研究主要圍繞靜電紡絲的應用、工業(yè)化、原 理三個方面。同時，在醫(yī)用材料領域，靜電紡絲也逐步展開了研究。關鍵詞：靜電紡絲，研究現(xiàn)狀，醫(yī)用材料Abstract:Electrospi nning develops rapidly that papers and pate nts in crease exp onen tial

2、ly since 2000. The research status focus on applications, industrialization and principle. Mean while, electrosp inning research on biomaterials is spri nging up.Key words: electrosp innin g, research status, biomaterials applicati on1靜電紡絲發(fā)展目前常用的制備纖維的方法有拉伸法、模板法、相分離法和靜電紡絲法。其中， 靜電紡絲法制備纖維因其操作簡單、適用較廣和成本

3、低而廣泛被使用在紡絲領域。靜 電紡絲是 A.Formhals在1934年發(fā)明。在1938年至1944年期間，隨著 A.Formhals 對靜電紡絲技術的進一步改進和對靜電紡絲原理的探究刃，靜電紡絲技術得到了進一步的發(fā)展。1969年，Taylor發(fā)現(xiàn)了 Taylor錐，對靜電紡絲的原理進行了進一步的豐 富。1971年，杜邦公司利用靜電紡絲制備了 PAN亞納米纖維。1981年，美國Ethic on 公司研究了靜電紡絲技術在醫(yī)學領域的應用9。在20世紀90年代后，靜電紡絲技術 在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，文獻和專利技術迅速增加。在2001年，國內(nèi)有關靜電紡絲技術的專利出現(xiàn)，東華大學、北京化工大學、浙

4、江大學等高校成了國內(nèi)靜電紡 絲研究的中心。在2006年，全球第一條靜電紡絲制備納米纖維的生產(chǎn)線投入市場， 標志著靜電紡絲技術實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)化。2靜電紡絲原理靜電紡絲所需要的實驗裝置靜電紡絲機。靜電紡絲機一般包括高壓電源、噴絲裝 置和收集裝置。噴絲裝置到收集裝置的距離一般為15-25 cm，電壓為0-50 kV。紡絲液體從噴絲裝置流出，在高壓電壓作用下客服噴絲液自身的表面張力和粘彈力而形成 射流。隨著溶劑的揮發(fā)和熔體的凝固，射流最終在接收裝置上形成纖維。在當代，學者對靜電紡絲原理進行了進一步研究和探討10，其研究主要集中在泰勒錐和納米纖維的彎曲非穩(wěn)定性兩個方面。另外，同軸靜電紡絲和紡織核殼結構納

5、米 纖維的原理的研究也在悄然興起。3影響因素靜電紡絲的影響因素主要有以下三個因素：溶液性質，控制變量，外界條件。溶 液性質包括溶質性質，溶劑性質，溶劑濃度，溶液導電率和PH值，溶液表面張力等；控制變量包括電場強度，接收距離，推進速度，針頭內(nèi)徑等；外界條件包括空氣濕度 和溫度。對于同一種聚合物溶液，隨著分子量的增加分子鏈的長度增加，從而分子量的粘 彈性、流變性、表面力學性能改變，纖維性能改變11。同理，聚合物的濃度12、溶劑 13等改變，纖維性能改變。隨著外加電壓的減小，溶液表面的靜電斥力減小，纖維表 面越光滑網(wǎng)；同樣，接受距離增加、流速減小，更有利于纖維的紡織。空氣濕度、溫 度對靜電紡絲也有一

6、定的影響：Ramsay-shields推導出了相關公式丫 *v（2/3） =K*（Tc-T-6）其中丫為表面張力，V為液體摩爾體積，K為普適常數(shù)，Tc為臨界溫度15。4研究進展4.1在應用方面靜電紡絲制備納米纖維在2006年實現(xiàn)工業(yè)化以后，目前已經(jīng)開始用于各個方面。 如生物材料，組織支架，污水處理等等方面。在醫(yī)學材料方面，靜電紡絲制備的纖維 膜可以用于體外創(chuàng)傷護理的敷料、 皮膚再生的醫(yī)用敷料和具有定向藥物釋放功能的醫(yī) 用輔料26。污水處理等常用的超濾膜有聚丙烯晴（PAN）超濾膜、聚砜類（PS）超濾 膜、醋酸纖維素（CA ）超濾膜等。超濾膜可以通過機械的吸附等物理作用可以是溶 劑和溶質選擇性的通

7、過，從而起到過濾篩選的作用。4.2在工業(yè)化方面自從2006年全球第一個靜電紡絲制備納米纖維的生產(chǎn)線建立之后，標志著靜電 紡絲進入工業(yè)化階段。目前，在工業(yè)方面研究的熱點主要有多針頭噴絲工藝的設計、 無針頭靜電紡絲、多孔平板型噴頭設計、多孔陶瓷管噴頭設計等。在目前納米纖維急 切需求的市場情況下，高性能、低成本的靜電紡絲工藝將是這方面研究的重點和熱點。 4.3在技術原理方面溶液性質、控制條件和外界環(huán)境對紡絲效果影響較大，通過對溶液、控制條件和 外界條件的調控來控制靜電紡絲，從而改善纖維的性能是靜電紡絲技術的一個新的研 究熱點。5 HA和PEO性質5.1透明質酸透明質酸(HA , Hyaluronic

8、 acid )又稱玻璃酸，玻尿酸。透明質酸是一種無毒的白色 的無定型態(tài)的粉末狀固體，如圖1(a)。這種固體無臭無味，具有極強的吸濕性，可溶于水，但是不能溶于有機溶劑。透明質酸的水溶液具有很高粘彈性和可塑性，易于 制成納米纖維。由透明質酸制成的生物膜具有很好的滲透性，改性后可用作滲透膜。 由于人體和生物體內(nèi)含有大量的透明質酸，并且主要分布在結蹄組織和細胞外基質 中，所以透明質酸具有良好的生物相容性。透明質酸極易降解，在酸堿、高溫、射線、金屬條件下都可降解。由于透明質酸的獨特性之，它還被用著乳化劑、增稠劑和潤滑 劑等。透明質酸是由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖醛酸通過 &1,4和 旳,3糖苷鍵反

9、復交替連接 形成的線性酸性粘多糖。這種粘多糖的結構單元屬于葡萄糖的衍生物，其結構式如圖 1(b)。透明質酸的分子量一般小于 400萬，當分子量高達300萬后就因無可紡窗口 而不具有可紡性了，失去了低分子量的透明質酸的可紡性。圖1透明質酸。（a）為透明質酸實物圖；（b）為透明質酸結構式由于透明質酸的結構單元含有大量的羥基，這些羥基在透明質酸的分子間或者分子內(nèi)形成氫鍵。在氫鍵和分子間的各種作用力的共同作用下，透明質酸的空間結構是 剛性的螺旋柱型。除此之外，羥基具有極強的親水性，親水量可高達自重的1000倍以上；在分子間作用力作用下，羥基排布極其規(guī)整，取向相同，而在羥基取向的反方 向上是整齊的碳鏈骨

10、架的排列，碳鏈是難溶于水的，所以在碳鏈側透明質酸具有憎水 性。由此，透明質酸具有親水憎水的雙重屬性。因為透明質酸這種獨特的性質，它被 廣泛用于化妝品行業(yè)，并被公認為是高端的保水因子。除此之外，透明質酸也被廣泛用于醫(yī)用行業(yè)。透明質酸具有良好的生物相容性， 其本身就是生物體的一部分。目前，在眼科、關節(jié)疾病、外科手術、疾病診斷方面， 透明質酸發(fā)揮著重要的作用16。透明質酸無毒無害，并且易于降解，在食品加工工藝 上也有所應用。透明質酸目前主要采用組織提取法和微生物發(fā)酵法兩種工藝進行生產(chǎn)。目前，通 用的方法主要是組織提取法，這種生產(chǎn)方法成本高，規(guī)模小。在我國，大型的透明質 酸生產(chǎn)廠家有山東福瑞達公司、山

11、東東營東辰集團公司、上海聚源生物科技公司、廣 州申強化工有限公司、浙江瑞邦制藥廠、江蘇無錫柯蘭精細化學制品廠、重慶團結生 化制品有限公司、江蘇吳江振興生物制品廠、杭州嘉偉生物制品有限公司等，但他們 采用的都是組織提取法。在國外，目前能采用微生物發(fā)酵法的廠家大概只有三四家。 透明質酸的價格昂貴，化妝品級的透明質酸的市場價大約在 1.3萬/kg,而醫(yī)用級的透 明質酸的市場價大約在8萬/kg,這也大大限制了透明質酸的應用。5.2聚環(huán)氧乙烯聚環(huán)氧乙烯（PEO , Polyethylene oxide）又稱為聚環(huán)氧乙烷。聚環(huán)氧乙烯是一種無 毒的白色微顆粒狀的固體，如圖 2（a）。聚環(huán)氧乙烯易溶于水，也可

12、溶于氯仿、二氯 甲烷等良性有機溶劑中，在加熱的情況下還可溶于苯、甲苯、四氫呋喃等。聚環(huán)氧乙 烯具有良好的抗熱性，熱解溫度高達 300E。除此之外，它還是良好的抗藥劑和抗靜電劑。聚環(huán)氧乙烯的結構式如2 (b)。當其分子量小于2,5萬時，其形態(tài)呈液態(tài)或者蠟狀固體，這種形態(tài)的聚環(huán)氧乙烯實際上就是我們平時見的聚乙二醇(PEG，Polyethylene glycols);當其分子量大于2.5萬時，聚環(huán)氧乙烯呈白色固體狀。通常， 人們把分子量大于10萬的聚環(huán)氧乙烯稱為高分子量聚環(huán)氧乙烯。圖2.2 聚環(huán)氧乙烯。(a)聚環(huán)氧乙烯實物圖；(b)聚環(huán)氧乙烯結構式聚環(huán)氧乙烯用途極廣，在工業(yè)、食品、醫(yī)藥、消防等領域都

13、有應用。在工業(yè)領域, 聚環(huán)氧乙烯常被用作水相減阻劑、凝聚劑、增稠劑、潤滑劑、粘合劑、脫模劑、上漿 劑、成型劑、潤滑劑等。由于聚環(huán)氧乙烯的無毒性，聚環(huán)氧乙烯在醫(yī)藥食品領域也有 所應用。6.展望靜電紡絲技術因為其裝置簡單、成本低廉等儀器條件、可紡材料種類多等試劑條件、工藝可控的工藝條件，目前已經(jīng)成為制備納米纖維最常用的一種方法之一。但是,目前靜電紡絲制備納米纖維的工業(yè)化不足、原理技術還有待完善、應用仍然單一。以 后研究的重點和熱點將圍繞著工業(yè)化、應用和原理技術展開。另外，隨著生物材料在 新材料領域的新興，靜電紡絲制備納米纖維作為細胞組織培養(yǎng)支架、人體植入替代組 織、生物醫(yī)用器械等方面也將逐步展開。

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