静电纺纤维集合体是以无规取向纤维无尘布、无尘纸构成的非织造布形式存在的

纤维结构决定纤维的性能,开发功能性纤维必须从调控纤维的结构人手。通过调控及优化静电纺纤维及其集合体的结构,可大幅度提高纤维材料在电子、环境、能源、生物医学等领
域的应用性能。一般而言,通过简单静电纺设备获得的纤维集合体是由排列无序的纤维堆积而成的。通过改变接收装置、控制电场、附加磁场等方法可获得取向排列的纤维;通过调控电
场、溶液性质、环境参数等还可构筑具有二维蜘蛛网状结构的纤维膜。取向和蛛网状结构赋予了纤维良好的电学、光学、力学性能等,在微电子、光电、生物医用、过滤等领域有着广泛的
应用前景。纤维集合体的形态各异,而组成纤维集合体的单根纤维的结构亦是种类繁多。通过静电纺丝技术不仅可以制备常见的珠粒、圆形实心纤维,还可以制备出带状、螺旋状、多孔、
项链、多芯、核一壳和中空等特殊结构的微/纳米纤维。这些特殊结构的静电纺纤维具有许多独特的性能,在多个领域具有潜在的应用价值。本章将重点介绍在静电纺丝技术应用发展中起着重要作用的纤维结构调控方面的内容,主要包括纤维集合体和单根纤维的结构调控。

4.1。1  无规取向排列纤维
    通常所说的静电纺纤维集合体是以无规取向纤维构成的非织造布形式存在的。它的制备技术非常简单,带电的聚合物液滴受电场力的作用在喷头处形成泰勒锥。当聚合物液滴所带电荷密度足够高时,同种电荷问的静电排斥力将克服聚合物溶液或熔体的表面张力使聚合物液滴分裂成若干射流。这些射流在高压电场力的作用下呈螺旋状不断被拉伸,伴随典型的无规取向排列的静电纺纳米108 I静电纺丝与纳米纤维着溶剂的快速挥发,最终形成直径为纳米或亚微米级别的超细纤维无尘布无尘纸,并以无序状排列于收集装置上,形成类似非织造布的纤维膜。这也是静电纺丝制备纳米纤维非织造布最基本的方法。这种静电纺纳米纤维非织造布应用范围相对较小,然而当人们用传统纤维和纺织工业的观点去理解纳米纤维时,只有获得了单根纳米纤维或单轴纤维束,才可将纳米纤维的应用范围扩展到更广泛的领域。可是由于电纺过程中聚合物射流的不稳定性(黏性、曲张和弯曲不稳定性),要获得单根纳米纤维或单轴纤维束是十分困难的。因此,静电纺丝技术要想取得长足的发展,就必须致力于制备取向排列纤维和纳米连续长纤的研究,这也是我们下一部分将要介绍的内容。
4.1.2取向排列纤维
    静电纺纳米纤维的一些应用领域,如微电子、光电和生物医用等,需要纤维具有很好的取向性和高度的规则排列。因此,如何制备具有独特的电学、光学、力学性能的取向纤维成为目前静电纺领域一大热点问题。为了制备取向纤维,科研人员采用改良收集装置、添加辅助电极等方法来控制电场分布,可改变射流在针头和收集装置之间所存在电场中的运行轨迹,从而抑制了射流的不稳定性,在一定区域内获得定向排列的纳米纤维无尘布无尘纸。而且通过对静电纺有序排列纤维进行集束、加捻等方法,还可获得纳米纤维纱线,这将有利于进一步拓宽静电纺纳米纤维的应用领域。
    4.1.2.1  旋转式收集装置
    采用旋转式收集装置是制备有序纤维最为常用的一种方法,其原理是利用旋转物体对射流的物理牵伸作用以达到控制纤维排列方向的目的。在20世纪90年代电纺技术开始用于制备聚合物纳米纤维时,多西(。Doshi)等心’就率先提出,采用高速转动的滚筒收集装置可以得到平行排列的纤维。理论上,当滚筒表面的旋转速度与纤维的沉积速度接近时,便可以得到单轴取向的纤维。但是博蓝(:Boland)等口’采用转速为1000r/min的旋转滚筒收集装置,制得的聚羟基乙酸(PGA)纳米纤维中仍然有部分为无序排列,这是由于射流拉伸速度非常快,接收物旋转速度难以与之达到一致。马修(Mathew)等H’的研究发现,当滚筒转速超过某一临界值时,将会得到弯曲的纤维,只有在合适的转速下才能得到最佳取向的纤维。由可见,纤维的取向效果是滚筒转速和射流拉伸速度共同作用的结果。然而,电纺过程中的射流并不是以恒定速度拉伸的,而且难以通过人为因素加以控制,因此合理调整滚筒的旋转速度也就变得相当关键。虽然采用滚筒收集的方法比较简单,但既耗时又耗能,而且得到的纤维取向度也不是很高。因此,找出一种全新的、可行的方法来制备大面积高度取向的纤维无尘布无尘纸,是十分必要的。