静电纺取向纳米纤维制备技术的研究进展

2016-06-01 11:29张海霞王西贤
纺织学报 2016年1期
关键词:辊轴静电射流

贾 琳,张海霞,王西贤

(河南工程学院 纺织学院,河南 郑州 450007)

静电纺取向纳米纤维制备技术的研究进展

贾 琳,张海霞,王西贤

(河南工程学院 纺织学院,河南 郑州 450007)

传统的非取向静电纺纳米纤维微观结构杂乱,力学性能较差,其应用范围相对较小;而取向纳米纤维具有各向异性的结构和润湿性能,其力学性能、尺寸稳定性和导电率更高,因此,其应用前景更加广泛。系统介绍了近年来国内外制备取向纳米纤维的方法与技术,包括旋转辊轴收集装置、平行排列的电极装置、辅助电极装置和其他一些方法,并深入分析了各种方法的优缺点。分析结果表明,引入辅助电极控制射流的运动,再利用其他装置收集纳米纤维,是目前静电纺取向纳米纤维制备技术发展的方向。

静电纺丝;取向纳米纤维;制备技术;辅助电极

当单纤维线密度达到0.3 dtex左右时,便会出现微纤效应,其在性能和质量上出现一个飞跃[1]。静电纺纳米纤维具有极大的孔隙率和比表面积(比普通的微米纤维高103倍),在成型的网毡上有很多微孔,具有很强的吸附力以及良好的过滤性、阻隔性、黏合性和保温性[2-3],因此,静电纺纳米纤维在过滤材料、药物控释、防护服、组织工程、复合材料等方面都有非常广泛的应用。然而,非取向排列的静电纺纳米纤维微观结构杂乱,机械强度较低,因此,其应用范围相对较小。而取向排列的微纳米纤维具有各向异性的结构特征,与纺织纤维和人体内细胞外基质的微观结构更类似;具有更高的机械拉伸性能、导电性和光学性能,这些优势使其在纺织生物材料[4]、组织工程[5-6]、光电材料[7-8]、传感器[9]和染料电池[10]等方面具有更好的应用;但在静电纺过程中,由于射流的不稳定运动,规整排列的取向纳米纤维的制备是很困难的,因此,国内外很多学者都在研究制备取向纳米纤维的方法。本文较系统地介绍了通过改进传统静电纺设备来制备取向纳米纤维的方法与技术,并详细分析了各种方法的优缺点,为进一步制备取向纳米纤维并扩大纳米纤维的应用奠定了基础。

1 旋转的辊轴装置

1.1 实体的辊轴

在静电纺过程中,高速旋转的辊轴可以控制静电纺射流的运动,进而制备出取向的纳米纤维,因此,利用高速旋转的辊轴收集取向纳米纤维是最早应用的一种方法。但是该方法对辊轴的转速要求很高,当辊轴的转速较高时,旋转辊轴产生的拉伸力使纳米纤维沿辊轴的圆周方向取向排列;而当辊轴的转速降低时,纳米纤维的取向排列程度也随之降低。有研究表明,取向纳米纤维的取向排列程度与辊轴的转速成正比例关系[11]。此外,Wu等[12]研究发现,辊轴的切向线速度对取向微纳米纤维的取向排列有很大的影响,当辊轴的切向线速度与静电纺射流的运动速度相同时,纳米纤维的取向排列程度最高。Edwards等[13]研究发现辊轴的速度对纳米纤维取向排列程度的影响可以分为3类:1)辊轴速度比较小时,不能使纳米纤维取向;2)辊轴速度达到最小临界速度时,随着辊轴速度的增加,纳米纤维的取向排列程度增加,并达到最大值;3)辊轴速度太大时,纳米纤维被拉断,反而使其取向排列程度降低。由此可见,取向纳米纤维的收集要求辊轴转速有一个临界范围,对于制备取向纳米纤维的最小和最大临界速度,其研究结果都不尽相同,主要与聚合物溶液的性能、辊轴的直径等有关。

在静电纺过程中,旋转的辊轴不仅可以控制纳米纤维的取向,由旋转辊轴产生的拉伸力还可对静电纺射流进行进一步拉伸,使得收集到的纳米纤维的直径降低。JIA L等[14]利用辊轴收集装置制备了取向的聚乳酸(PLLA)纳米纤维,研究结果表明,与随机排列的PLLA纳米纤维相比,取向的PLLA纳米纤维其直径更小。

1.2 空心的铜线辊轴

利用实体的旋转辊轴可以制备取向纳米纤维,并可以收集很厚的纳米纤维膜,收集效率很高。然而,当收集到的纳米纤维达到一定厚度以后,可能是由于纤维表面电荷的积累,纤维直径的相互排斥力降低,纳米纤维的取向排列程度就降低了,而且实体的辊轴需要很高的速度才能收集到取向的纳米纤维。为克服这个缺点,Katta等[15]发明了一种由均匀分布的铜线组成的空心辊轴作为收集装置,并制备了取向的锦纶6纤维。由于铜线之间空隙的存在,当辊轴转速为1 r/min,仍然可以利用该装置制备取向纳米纤维。图1示出铜线辊轴静电纺装置图和收集的取向纳米纤维的SEM照片。

然而,经过一段时间的静电纺丝后,沉积的纳米纤维填充了铜线之间的空隙,表面存在空隙的铜线辊轴变成了实体辊轴,而实体辊轴在转速很低时只能收集杂乱排列的纳米纤维。Katta等[5]还研究了当辊轴转速为1 r/min时,不同纺丝时间后纳米纤维的取向形态。结果表明:静电纺丝5 min后得到的纳米纤维的取向排列程度非常好,几乎可以达到100%的取向;40 min以后,纳米纤维依然表现了定向的取向排列形态。但是,当静电纺丝过程持续到2.5 h后,纳米纤维已经恢复到随机杂乱的排列形态了。该研究结果表明,利用空心的线体辊轴可以制备出取向的微纳米纤维,若可以适当提高辊轴的转速,将会得到取向排列更好的纳米纤维,静电纺丝的持续时间也将更长。

1.3 带有水浴的辊轴

为了进一步降低辊轴的转速并制备取向的纳米纤维,研究者设计了带有水浴的辊轴收集装置。首先在水浴中纺丝,然后再将其接收到辊轴表面,利用该方法可以制备出取向的静电纺纳米纤维纱线束。

1.3.1 静态水浴法

Smit等[16]发明了一种利用静态水浴和辊轴组合制备取向纳米纤维的方法。不溶于水的聚合物射流被喷射到水浴中,经过水溶液的固化,最终被收集在旋转的滚轴表面,形成取向纳米纤维。利用这种方法已经成功制备了聚醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和聚丙烯腈(PAN)纳米纤维,且1 h内可以制备出180 m的纳米纤维纱线;但是这种方法制取的纳米纤维束,纳米纤维之间有非常严重的黏连现象,而且所用的聚合物材料要不溶于水,因此,目前这种方法应用很少。

1.3.2 动态水浴法

Teo等[17]设计了一种动态水浴和辊轴组合的接收装置,其静电纺装置如图2所示。该装置包括2个水池和1个低速旋转的辊轴,水池上下放置。在上水池的底部开一个直径约为5 mm的孔,上水池的水会经过该孔流到下面的水池,下水池的水又经由水泵流到上水池,从而形成一个循环系统。上水池的水通过一根导线接地,消除水表面的残余电荷。由于上水池的水经过孔洞流到下水池,因此,会在上水池内形成漩涡,漩涡将带动沉积于其表面的纤维一起旋转,在旋转离心力和水流牵伸力的作用下对纳米纤维进行拉伸牵引,并在旋涡底部汇成1束纤维束,随水流从孔中流出,然后卷绕到旋转的辊轴表面。利用该方法可以制备出连续的取向纳米纤维束,但是纳米纤维之间也存在黏连现象。

2 平行排列的电极收集装置

表面带有电荷的静电纺射流对接收区域的电场力是非常敏感的,通过调整接收区域的电场分布将接收到取向排列的纳米纤维。当2块平行的电极作为接收装置放置在接收区域时,它们产生的诱导电场力将聚合物射流同时拉向2个电极表面,最终射流取向地悬垂在2个电极之间,形成取向纳米纤维。许多研究者利用该方法制备了取向纳米纤维,并研究了聚合物溶液的性能对纳米纤维形态的影响。有研究表明,溶液的导电率对纳米纤维形态的影响非常大,当溶液的导电率较低时,射流表面携带的电荷较少,平行电极对射流的拉伸力不足于使纤维取向;而当聚合物溶液的电导率较高时,射流表面携带大量的电荷导致其三维鞭动比较剧烈,纳米纤维的取向排列程度随之降低[18-19]。Xin等[19]曾利用该方法制备聚对苯乙炔(PPV)纳米纤维,但是由于PPV溶液的导电率太高,收集到的纳米纤维依然是随机排列的。

2.1 平行排列的导电硅电极

Li等[20]最先利用2块平行排列的导电硅电极作为接收装置,制备取向纳米纤维。2个平行排列的硅电极是分开放置的并分别接地,二者之间的距离可以随机调节,从几微米到数十厘米之间。由于2个硅电极是同电位,对射流的拉伸作用相同,在静电纺过程中,射流在电场力作用下被同时拉伸到2个硅电极表面,最终取向地沉积在2个平行硅电极的空隙中。利用该装置,Li等制备了取向排列的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米纤维,其排列方向与空隙边缘垂直。Li等还利用Student′s QuickField 软件模拟了平行导电硅电极附近的电场分布,结果表明电场线在硅电极附近分裂成2部分,分别指向2个硅电极,说明2个硅电极对射流具有相同的拉伸作用力。另外,Li等利用电荷间的库仑力研究了静电纺射流在2个硅电极附近的受力,进一步证明了纳米纤维将悬浮在2个硅电极之间的空隙中,并沿着与硅电极边缘垂直的方向取向排列。但是该方法也存在一些缺点:一方面只能收集一些相对较粗的纳米纤维,如果纳米纤维的线密度太小(小于150 nm),由于自身重力和其他纤维库仑斥力的作用,纳米纤维会断裂;另一方面是当纳米纤维达到一定厚度以后,纳米纤维的取向排列程度将降低。

2.2 平行排列的金属板电极

为了研究平行电极的导电性对静电纺射流运动的影响,Teo等[21]利用2块具有锋利边缘的金属板来收集纳米纤维。2块金属板对电极是相对平行放置的,上表面具有锋利的边缘,为了屏蔽电场力的影响,金属板对电极相对的2个边缘被绝缘胶布包裹着,其静电纺装置如图3所示。在该接收装置中,上表面锋利的边缘通过电荷聚集的作用收集纳米纤维,利用该装置制备了取向排列的聚己内酯(PCL)纳米纤维。此外,为了研究对电极的电场强度对纳米纤维形态和沉积状态的影响,Teo等还对金属板对电极分别施加了0、-1、-2、-4 kV的电压。结果表明,当金属板对电极接地时,即未施加负电压,纳米纤维的沉积是沿着一个弯曲的路线从一个金属板的锋利边缘向另一个金属板的锋利边缘运动,所以纳米纤维之间是均匀排列的;而当金属对电极被施加上负电压以后,由于电荷的聚集,纳米纤维都聚集在金属板边缘的中心位置,呈聚集态取向排列。

另外,有研究表明,2个平行电极的距离对纳米纤维的沉积量和取向排列都有很大的影响。由2个平行电极产生的对射流的取向拉伸力随着2个平行电极距离的增加而降低,因此,当2个电极的距离较大(大于50 cm)时,纳米纤维很难沉积在2个电极的空隙部分[22]。Teo等[21]也研究了2个电极板的距离(2、3、5、8、10 cm)对纳米纤维的影响,结果表明:当2个电极之间的距离小于或等于5 cm时,纳米纤维取向地沉积在2个电极之间的空隙部分;当2个电极之间的距离为8 cm或10 cm时,只能收集到很少量的纳米纤维。2个电极之间的距离对纳米纤维的取向排列也有一定的影响,一般来说,随着2个电极距离的增加,纳米纤维的取向排列程度呈现先增加后减小的趋势。关于能制备出取向排列最好的纳米纤维的最佳距离,不同研究得出的结果不尽相同,与溶液的性质、电极的导电率等有关[22-23]。

2.3 平行排列的磁体收集装置

Yang等[24]利用1对相对平行放置的磁体作为接收装置,收集取向纳米纤维。在该方法中,2个具有永恒磁性(N极和S极)的磁体的距离是5 cm,2个磁体之间产生磁场作用,在聚合物溶液中加入了少量的磁性纳米颗粒,可以使聚合物溶液磁化。在静电纺过程中,由于2个磁体之间的空隙部分存在无数条从N极指向S极的磁场线,带有磁性颗粒的射流受到磁场的吸引,将在磁场的作用下沿磁场线的分布取向排列,最终在2个磁体之间收集了悬浮在空隙中的取向排列的纳米纤维。Yang等在8%聚乙烯醇(PVA)溶液中加入了0.5%的Fe3O4纳米颗粒,并利用此方法制备了取向排列程度很高的PVA纳米纤维。

为了进一步验证磁场的作用对取向纳米纤维的影响,Yang等[24]又做了3个实验。第1个实验是利用2块塑料板代替磁体作为收集装置,结果发现纳米纤维没有沉积在塑料板的空隙中,而且收集到的纳米纤维是毫无取向的;第2个实验是聚合物溶液中没有加入磁性的纳米颗粒,利用平行排列的磁体没有收集到取向纳米纤维;第3个实验依然利用平行排列的磁体作为收集装置,聚合物溶液中也加入了磁性的纳米颗粒,但是2个磁体的距离较大(10 cm)而没有磁场形成,静电纺射流不能悬浮在2个磁体之间,因此,不能收集到取向纳米纤维。Yang等的一系列实验结果表明,磁场的作用是该装置收集取向纳米纤维的关键。利用该方法可以很方便地收集到取向排列的纳米纤维,但是收集到的纳米纤维中含有少量的磁性颗粒,可能会影响纳米纤维的纯度和应用。

3 辅助电极收集装置

在静电纺过程中,由于射流具有复杂的三维“鞭动”,很难利用普通的装置制备取向纳米纤维,因此,控制射流的运动是制备取向纳米纤维的关键。研究发现,在静电场中放置一个辅助电极可以影响电场分布,进而控制射流的运动并制备取向纳米纤维。

3.1 金属圆环辅助电极

为了控制静电纺射流的运动,Deitzel等[25]最早在静电场中放置几个金属圆环作为辅助电极来改变原有的电场分布,并通过此方法制备了取向的聚氧乙烯(PEO)纳米纤维。他们在喷丝头和接收装置之间放置几个金属圆环电极,并利用平行排列的木条来收集纳米纤维。由于多个圆环电极的存在,抑制了静电纺射流的不稳定鞭动,使稳定段射流长度增加,不稳定段射流长度减小甚至消失,最终在平行排列的木条表面收集到了取向排列的纳米纤维。利用该方法制备取向纳米纤维比较复杂,且纳米纤维的取向排列程度不高,但为后续研究提供了利用辅助电极控制射流运动的思路。

3.2 具有锋利边缘的平行金属条辅助电极

Teo等[26]设计了一种辅助电极与旋转辊轴组合的收集装置,其设备示意图如图4(a)所示。他们将一组具有锋利边缘的平行金属条作为辅助电极,放置在旋转的辊轴下方控制射流的运动,并利用低速旋转的辊轴(838 r/min)制备了取向的聚己内酯(PCL)纳米纤维。平行排列的铝制金属条具有刀片般的锋利边缘,且被施加了-8 kV的负极高压。在静电纺过程中,由于平行排列的金属条与喷丝头的电势差超过了其他地方(包括辊轴)与喷丝头之间的电势差,静电纺射流被拉伸到金属条表面。又由于金属条具有刀片般的锋利边缘,表面积非常小,根据电荷聚集原理,静电纺射流会被优先拉伸到金属条的边缘上。由于旋转辊轴放置在平行金属条的上方,其产生的拉伸力将静电纺射流拉伸到辊轴表面,使其沿辊轴的圆周方向取向排列。

为了研究对角线的电场分布对静电纺射流运动的影响,Teo等将具有锋利边缘的金属条电极放置在喷丝头的斜下方(即距离喷丝头的水平距离和垂直距离都是7 cm),并将金属条电极倾斜45°,以减小金属条对电场分布的影响(如图4(b)所示)。由此可以连续纺丝而不间断,提高了静电纺丝的效率。此外,通过改变金属条电极的位置可以得到取向方向不同的取向纳米纤维。

3.3 平行金属板电极

3.3.1 2块平行金属板电极

在前人研究的基础上,本文设计了一种金属电极与辊轴组合的收集装置,该装置包括旋转的辊轴、2块平行排列的金属电极。用1根电线连接将2块平行电极连接起来,并施加-5 kV的电压,由此增加喷丝头与平行电极之间的电势差。有机玻璃制成的辊轴可以减小辊轴对高压电场的干扰,平行电极放置在辊轴的两侧。在静电纺过程中,平行电极与喷丝头之间的电势差最大,射流被拉伸到平行电极表面。由于辊轴表面的高度大于平行电极,旋转辊轴产生的拉伸力将射流拉伸到辊轴表面,沿其圆周方向取向排列,利用该方法制备取向纳米纤维时辊轴的转速比较低。当辊轴的转速为1 000 r/min时,利用该方法制备了取向的聚氨酯(PU)纳米纤维,并测得纳米纤维的取向排列系数为82%[27]。此外,通过改变平行电极与滚筒的位置,可以收集到取向方向不同的取向纳米纤维。最后利用Ansoft Maxwell软件模拟了静电纺过程中的电场分布,从理论上验证了取向纳米纤维的制备。

3.3.2 3块平行金属板电极

为了研究辅助电极的数目和施加电压对纳米纤维取向排列的影响,Wu等[28]在旋转的辊轴下面放置了3块平行金属板电极,并分别对其施加了不同的电压,其静电纺设备和施加电压的示意图如图5所示。在静电纺过程中,喷丝头被施加的电压为-15 kV,辊轴的转速为1 000 r/min,当3个平行电极都接地时,辊轴接收到的纳米纤维的取向排列程度非常差;而当两边的2个电极被施加-10 kV的高压,中间的电极被施加+8 kV的高压时,辊轴表面可以收集到取向排列的纳米纤维。该结果说明仅靠辊轴的旋转很难收集到取向排列程度很高的纳米纤维,辅助电极的存在可以很大程度上控制射流的运动,提高纳米纤维的取向排列程度。

4 其他收集装置

4.1 具有锋利边缘的旋转圆盘

Theron等[29]介绍了一种制备取向的静电纺纳米纤维的方法。利用接地的、具有锥形锋利边缘的旋转圆盘收集取向排列的纳米纤维,转盘的厚度为5 mm,锥形边缘的高度为5 mm,锥顶角为53.2°。根据尖端放电原理,高压静电荷主要集中在尖锐的转盘边缘,随着转盘的转动,射流被拉伸到转盘边缘并形成取向纳米纤维,Theron等利用该装置制备了取向的聚氧化乙烯(PEO)纳米纤维。由于射流表面携带有大量的电荷,电荷间库仑斥力的相互作用使射流之间相互排斥,之前沉积下来的纳米纤维将对其他将要沉积的纳米纤维施加一个库仑斥力,排斥其他纤维沉积在同一地方,因此,由该方法制备的纳米纤维之间存在1~2 μm的间距,而纳米纤维直径的大小和携带电荷的多少会影响纤维之间间隔的距离。

4.2 多个电极收集装置

Li等[30-31]在2个平行电极收集纳米纤维的基础上研究了多个电极收集装置。他们首先在绝缘的石英晶片表面粘了4个金电极,4个电极分别在4个方向对称放置,如图6所示。当只使1对分开的对称放置的电极接地时,会在2个电极的空隙部位收集到与2个电极的边缘垂直分布的取向纳米纤维;当只使另外1对电极接地时,会在另外1对电极的空隙部分收集到与其边缘垂直的取向纳米纤维。因此,利用该装置可以制备出取向方向不同的具有2层结构的纳米纤维膜。当4块电极都接地时,大多数纳米纤维会沉积在相邻2块电极的角落处,取向方向为45°角方向或135°角方向;有一少部分纳米纤维沉积在4个电极的中心空隙部分,中心部位收集到的是取向方向不同的纳米纤维膜。与上面收集的2层的纳米纤维不同,中心部位接收到的纳米纤维不能被分成单独的2层。随后,Li等又在石英晶片表面对称地黏了6个金属电极(如图6(b)所示),通过交替地使2个相对的电极接地,可以制备出3层的取向方向不同的纳米纤维膜,而且这3层纳米纤维膜是可以相互分离的。

4.3 框架收集装置

为收集并测试单根纳米纤维的性能,Huang等[3]利用一种框架收集装置制备了取向排列的PEO纳米纤维。在喷丝头的下方放置一个框架,框架是倾斜放置的,即与水平面有一个角度α,在静电纺过程中,射流被拉伸到框架表面而沉积下来,最终收集到取向排列的纳米纤维。研究结果发现,框架的材质对纳米纤维的取向排列程度有一定的影响,当框架的倾斜角度α都为60°时,铝制框架收集到的纳米纤维的取向排列程度高于木质框架。此外,Huang等还利用旋转的框架连续地收集取向的PEO纳米纤维。关于利用框架装置收集取向纳米纤维,还有许多深入的内容需要研究,例如2个相对框边缘的距离、框架的倾斜角度、框架的旋转速度等,这些参数都将会影响取向纳米纤维的收集,并直接影响纳米纤维的取向形态。

4.4 尖端收集装置

Rafique等[32-33]设计了一种新型的静电纺装置,由尖端接收装置和绝缘支撑板组成,而尖端接收装置又由接地的金属线电极和电极支撑装置组成,电极支撑装置的中心部位有1个孔,金属线电极(直径为2 mm)穿过该孔接地,整个接收装置与喷丝头成一定角度倾斜放置,其示意图如图7(a)所示。在静电纺过程中,由于尖端收集装置与喷丝头成一定角度分开放置,将诱导射流横向喷射,通过金属电极的引导作用,制备出单根的纳米纤维,还可以使纳米纤维取向地悬垂在尖端接收装置和绝缘支撑板之间。Rafique等利用该装置制备了取向的PAN、PCL纳米纤维。为了有效提高取向纳米纤维的生产效率,又设计了多针头、多尖端的静电纺装置(如图7(b)所示)。由于针头被施加了高压静电,针头之间有相互的电场力影响,Rafique等经过最优化的实验设计方案研究发现,当作为电极支撑装置的木质框架的长度为68 cm,2个喷丝头之间的距离为17 cm,喷丝头和金属线电极的距离为16 cm,相邻2个金属线电极的距离为17 cm时,电场之间的干扰和喷丝头之间的相互斥力最小。利用该装置,Rafique等制备了取向的PCL纳米纤维。

5 结 语

取向微纳米纤维具有各向异性的结构特征,与纺织纤维和人体细胞外基质的微观结构更类似;具有更高的机械拉伸性能、导电性和光学性能,近年来得到了越来越多的关注。从传统的静电纺丝方法来看,如何控制射流的运动,进而引导射流取向的沉积是制备取向纳米纤维的关键。高速旋转的辊轴利用其表面产生的拉伸力对射流的运动有一定的控制,可以收集到取向纳米纤维;平行放置的金属板或电极,由于电荷聚集效应,可以将射流拉伸到其表面,使射流悬垂在2个平行金属板之间。这2种方法不能收集到很厚的纳米纤维膜,且效率较低。而利用辅助电极和辊轴组合的收集装置,一方面可以降低辊轴的转速,节约能源;另一方面,由于辅助电极对射流的控制,可以制备出取向排列程度更高的纳米纤维,而且纳米纤维的取向排列不受纳米纤维厚度的影响。

制备取向纳米纤维的方法很多,但都存在一定的不足。引入辅助电极控制射流的运动,再利用其他装置收集纳米纤维,是目前发展的方向,而且还可以通过此方法制备出成束的纳米纤维纱线,在纺织服装等领域具有非常大的潜力,是今后发展的主要方向。

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[1] 覃小红,刘雍,李妮.纳米技术与纳米纺织品[M].上海: 东华大学出版社,2010:6-15.QIN Xiaohong,LIU Yong,LI Ni.Nano Technology and Nano Textiles [M].Shanghai: Donghua University Publishing,2010:6-15.

[2] RAMAKRISHNA S,FUJIHARA K,LIM T C,et al.An Introduction to Electrospinning and Nano-fibers [M].Singapore: World Scientific Publishing,2005: 135-142.

[3] HUANG Z M,ZHANG Y Z,KOTAKI M,et al.A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites [J].Compos Sci Technol,2003 (63): 2223-2253.

[4] TEO W E,RAMAKRISHNA S.A review on electrospinning design and nanofibre assemblies [J].Nanotechnology,2006 (17): 89-106.

[5] KAI D,PRABHAKARAN M P,JIN G R,et al.Guided orientation of cardiomyocytes on electrospun aligned nanofibers for cardiac tissue engineering [J].J Biomed Mater Res: Part B,2011(98):379-386.

[6] YIN Z,CHEN X,CHEN J,et al.The regulation of tendon stem cell differentiation by the alignment of nanofibers[J].Biomaterials,2010(31):2163-75.

[7] CHEN D,MIAO Y,LIU T.Electrically conductive polyaniline/polyimide nanofiber membranes prepared via a combination of electrospinning and subsequent in situ polymerization growth [J].Appl Mater Interfaces,2013(5):1206-1212.

[8] CHEN D,WANG R Y,JIU W.High performance polyimide composite films prepared by homogeneity reinforcement of electrospun nanofibers[J].Compos Sci Technol,2011(71):1556-1562.

[9] PERSANO L,DAGDEVIREN C,SU Y,et al.High performance piezoelectric devices based on aligned arrays of nanofibers of poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) [J].Nat Commun,2013(4):1633-1642.

[10] TAMURA T,KAWAKAMI H.Aligned electrospun nanofiber composite membranes for fuel cell electro-lytes [J].Nano Lett,2010(10): 1324-1328.

[11] BEACHLEY V,KATSANEVAKIS E,ZHANG N.Highly aligned polymer nanofiber structures: fabrication and applications in tissue engineering [J].Adv Polym Sci,2012(246): 171-212.

[12] WU Y Q,CARNELL L A,CLARK R L,et al.Control of electrospun mat width through the use of parallel auxiliary electrodes[J].Polymer,2007(48):5653-5661.

[13] EDWARDS M D.Development of orientation during electrospinning of fibres of poly(epsilon-caprolact-one) [J].Eur Polym J,2010(46):1175-1183.

[14] JIA L,PRABHAKARAN M P,QIN X H,et al.Stem cell differentiation on electrospun nanofibrous substrates for vascular tissue engineering[J].Mater Sci Eng C,2013(48):5113-5124.

[15] KATTA P,ALESSANDRO M,RAMSIER R D,et al.Continuous electrospinning of aligned polymer nanofibers onto a wire drum collector[J].Nano Let,2004(4):2215-2218.

[16] SMIT E,BUTTNER U,SANDERSON R.Continuous yarns from electrospun fibers [J].Polymer,2005(46):2419-2423.

[17] TEO W E,GOPAL R,RAMAKRISHNA S,et al.A dynamic liquid support system for continuous electrospun yarn fabrication[J].Polymer,2007 (48): 3400-3405.

[18] KUO C C,WANG C T,CHEN W C.Highly-aligned electrospun luminescent nanofibers prepared from polyfluorene/PMMA blends: fabrication,morphology,photophysical properties and sensory applications [J].Macromol Mater Eng,2008(293):999-1008.

[19] XIN Y.Fabrication of well-aligned PPV/PVP nanofibers by electrospinning [J].Mater Lett,2008(62):991-993.

[20] LI D,WANG Y L,XIA Y N.Electrospinning of polymeric and ceramic nanofibers as uniaxially aligned arrays [J].Nano letters,2003(3):1167-1171.

[21] TEO W E,RAMAKRISHNA S.Electrospun fibre bundle made of aligned nanofibres over two fixed points [J].Nanotechnology,2005(16): 1878-1884.

[22] POKORNY M,NIEDOBA K,VELEBNY V.Transversal electrostatic strength of patterned collector affecting alignment of electrospun nanofibers [J].Appl Phys Lett,DOI:10.1063/1.3430507.

[23] BAZBOUZ M B,STYLIOS G K.Alignment and optimization of nylon 6 nanofibers by electro-spinning [J].J Appl Polym Sci,2008(107):3023-3032.

[24] YANG D Y,LU B,ZHAO Y,et al.Fabrication of aligned fibrous arrays by magnetic electrospinning [J].Adv Mater,2007(19):702-706.

[25] DEITZEL J M,KLEINMEYER J D,HIRVONEN J K,et al.Controlled deposition of electrospun poly(ethylene oxide) fibers [J].Polymer,2001(42):8163-8170.

[26] TEO W E,KOTAKI M,MO X M,et al.Porous tubular structures with controlled fibre orientation using a modified electrospinning method [J].Nanotechnology,2005(16):918-924.

[27] JIA L,PRABHAKARAN M P,QIN X H,et al.Guided orientation of smooth muscle cells on electrospun aligned nanofibers for vascular tissue engineering [J].J Biomater Appl,2014(29):364-377.

[28] WU Y Q,CARNELL L A,CLARK R L.Control of electrospun mat width through the use of parallel auxiliary electrodes[J].Polymer,2007 (48): 5653-5661.

[29] THERON A,ZUSSMAN E,YARIN A Y.Electrostatic field-assisted alignment of electrospun nanofibers [J].Nanotechnology,2001(12):384-390.

[30] LI D,WANG Y L,XIA Y N.Electrospinning nanofibers as uniaxially aligned arrays and layer-by-layer stacked films [J].Adv Mater,2004(16):361-366.

[31] LI D,XIA Y.Direct fabrication of composite and ceramic hollow nanofibers by electrospinning [J].Nano Lett,2004(4): 933-938.

[32] RAFIQUE J,YU J,YU J L,et al.Electrospinning highly aligned long polymer nanofibers on large scale by using a tip collector [J].Appl Phys Lett,DOI:10.1063/1.2768871.

[33] RAFIQUE J.A study on preparation of ordered nanomaterials by electrospinning [D].Harbin: Harbin Institute of Technology,2008:46-59.

Research and development of aligned nanofibers prepared by electrospinning

JIA Lin,ZHANG Haixia,WANG Xixian

(CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou,Henan450007,China)

The conventional electrospun non-woven membranes have chaotic microstructure and inferior mechanical properties,which limit their applications.However,aligned nanofibers possess anisotropic morphology,anisotropic wettability and higher mechanical properties,and these advantages endows aligned nanofibers with wider range of applications.Hence,many researchers modified conventional collecting apparatus to fabricate aligned nanofibers.The methods and collecting equipments including rotating cylinder,parallel plate,auxiliary electrodes and some other apparatus were summarized,and the merits and demerits of these methods were also analyzed and compared,thus providing a reference for the further development of aligned nanofiber and expansion of the application of nanofibers.

electrospinning; aligned nanofiber; preparation method; auxiliary electrode

10.13475/j.fzxb.20141105508

2014-11-21

2015-09-07

河南省高校科技创新团队支持计划资助项目(13IRTSTHN024,15IRTSTHN011)

贾琳(1986—),女,讲师,博士。主要研究方向为静电纺纳米纤维的制备及应用。E-mail:lynnjia0328@163.com。

TS 102.5

A

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