[发明专利]一种基于泰勒锥高度预测电纺纳米纤维直径的方法

说明书

本发明提供了一种基于泰勒锥高度预测电纺纳米纤维直径的方法，其特征在于，包括：施加不同的电压进行静电纺丝，测量静电纺丝过程中聚合物流体形成的泰勒锥的高度并通过扫描电子显微镜测定所得纳米纤维的直径，建立泰勒锥的高度和纳米纤维的直径之间的线性关系，基于此线性关系，通过测量泰勒锥的高度预测纳米纤维直径。本发明能够为电纺纳米纤维的工业化生产和商业应用提供强有力的监控和检测工具。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，特别涉及一种基于电纺过程中泰勒锥的高度对所制备纳米纤维直径进行准确预测的方法。

背景技术

高压静电纺丝技术简称电纺技术，它是一种电流体动力学技术。该技术利用高压静电与聚合物溶液或熔融液的相互作用，单步直接制备出纳米级直径的聚合物纤维。通过电纺丝技术制备纳米纤维材料是近二十年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。电纺以其制造装置简单、纺丝成本低廉，所制备纳米纤维功能设计方便、使用领域广等优点，已在能源环境、生物医药、食品卫生、军事国防、化工轻工等众多领域体现出巨大潜在用途。也正因为如此，电纺纳米纤维的工业化生产和纳米纤维产品质量的有效评价目前是电纺领域最为关注的热点之一。

电纺过程一般经历五个阶段，即通过金属纺丝头给流体充电、在纺丝头的出口形成圆锥形的泰勒锥、从锥尖发出的直线射流，高频拉伸不稳定区对流体快速拉伸干燥、纳米纤维的随机或定向收集。该技术具有明显的双面性。一方面制备纤维过程单步有效、直接简单，表观上流体瞬间在电场下干燥成型，形成纳米纤维。另一方面，该过程极其复杂，涉及聚合物流变学、流体力学、电动学等多学科交叉知识，而且影响因素众多，譬如：聚合物的分子量，分子量分布、分子的分支或线性结构等；溶液性质如浓度，粘度，电导率，表面张力，液体流量等；操作条件如施加电压、流体流量、接受距离；设备的稳定性和精度、针头的结构和喷嘴直径和形状、以及流体导入方式、高压静电的直流或交流方式、接受端形式；环境因素如温度、湿度、以及真空状态或室内空气流速等。

正是由于电纺纳米纤维的“纳米直径”能够产生纳米效应，基于电纺纳米纤维的功能纳米材料目前非常流行。但是也正是因为纳米纤维制备过程的复杂性，导致纳米纤维的直径非常难以准确预测并实施有效控制。各种关于流体、工艺、环境的因素对电纺纤维直径的影响都曾被研究，也建立各种数学模型进行电纺过程描述。但是这些模型常常从一种或几种流体或操作条件参数出发，基本上没有普遍适用性。它们可能对某一流体有用，但是对其它流体则完全失效。其根本原因是不同流体在高压电场下具有其行为的特异性，并且上述各种因素彼此之间能产生相互影响。而另一方面，随着电纺纳米纤维的商业化产品日益成为现实，如何评价产品的质量将成为一大难题。虽然电纺纳米纤维的直径被广泛作为评价纳米纤维质量的最重要参数，但是通过扫描电子显微镜实施检测的方法昂贵、费时、操作麻烦，不利于工业连续化大生产。

发明内容

本发明目的是提供一种基于泰勒锥高度准确预测电纺纳米纤维直径的方法。

本发明通过在电纺过程中施加不同的电压，测量电纺过程中泰勒锥的高度，制备不同聚合物纳米纤维，并通过扫描电子显微镜测定纳米纤维直径。通过关联分析泰勒锥的高度和纳米纤维的直径，建立二者良好的线性关系。基于此线性关系，可以通过测量泰勒锥的高度，直接准确预测其它工艺条件下制备的电纺纳米纤维直径。

本发明的技术方案如下：

一种基于泰勒锥高度预测电纺纳米纤维直径的方法，其特征在于，包括：施加不同的电压进行静电纺丝，测量静电纺丝过程中聚合物流体形成的泰勒锥的高度并通过扫描电子显微镜测定所得纳米纤维的直径，建立泰勒锥的高度和纳米纤维的直径之间的线性关系，基于此线性关系，通过测量泰勒锥的高度预测纳米纤维直径。

优选地，所述的不同的电压都能够保证所工作的聚合物流体能够电纺成为固体纳米纤维。

优选地，所述的聚合物流体为能够电纺成纤的天然聚合物和人工合成聚合物中的至少一种。