一、研究背景

近年來，由于電紡納米纖維基材料具有比表面積高、導(dǎo)電性能好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定以及充放電速度快等特點(diǎn)，其在超級(jí)電容器電極材料中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。雖然傳統(tǒng)的單針電紡（SNE）裝置應(yīng)用廣泛、操作簡單，但由于產(chǎn)量極低，其產(chǎn)業(yè)化受到限制。與單針電紡相比，多針電紡在一定程度上提高了產(chǎn)量，但針間電場(chǎng)的相互干擾影響了紡絲過程，且堵針問題一直未能解決。無針電紡裝置從根本上解決了堵針問題，能更有效地制備微/納米纖維。

隨著電紡納米纖維應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和人類需求的變化，各種功能性納米纖維作為具有發(fā)展前景的材料應(yīng)運(yùn)而生，如導(dǎo)電纖維、相變纖維、抗靜電纖維和抗菌纖維等。因此，利用電紡絲批量制備高性能功能納米纖維已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。用于制備不同功能納米纖維的紡絲溶液性質(zhì)各異。當(dāng)紡絲溶液中含有不溶性功能納米粒子時(shí)，這些粒子通常不能很好地分散在溶液中。特別是在紡絲過程中，當(dāng)溶液停留在儲(chǔ)液槽中時(shí)，納米顆粒會(huì)下沉。這會(huì)導(dǎo)致溶液明顯分層，最終產(chǎn)品中的功能納米粒子分布不均，降低產(chǎn)品性能。

在我們之前的研究中，提出了一些自制的自由表面電紡絲（FSE）裝置，用于高通量制備納米纖維。特別是我們課題組開發(fā)的球形截面自由表面電紡（SSFES）裝置，與其他作品相比，可以制備出產(chǎn)量和質(zhì)量都更高的納米纖維。然而，在 SSFES 設(shè)備中，紡絲溶液中的納米顆粒很容易下沉，導(dǎo)致納米顆粒在獲得的纖維中分布不均。 由于納米氧化鋅具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性、優(yōu)異的光電性能、無毒、抗菌活性強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的性能和技術(shù)指標(biāo)。 本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種帶多個(gè)進(jìn)氣口的電紡絲裝置（EMAI），用于批量制備含有 ZnO 納米粒子的功能納米纖維，如圖 1 所示。 在批量制備納米纖維的過程中，該裝置通過多孔產(chǎn)生的氣流使紡絲溶液中所含的氧化鋅納米粒子保持均勻分散。 氣流減少了納米粒子的團(tuán)聚，從而獲得了氧化鋅含量均勻的納米纖維。 此外，還利用實(shí)驗(yàn)和理論分析探討了這種用于批量制備納米纖維的新型裝置的紡絲機(jī)理，并確定了最佳紡絲參數(shù)。

二、摘要

隨著電紡納米纖維應(yīng)用的日益廣泛，批量制備含納米顆粒的高性能功能納米纖維成為研究熱點(diǎn)。由于納米粒子在功能納米纖維中的分布均勻性對(duì)其性能有很大影響，因此提出了一種具有銅質(zhì)多孔噴絲板的多進(jìn)氣口電紡裝置，以獲得產(chǎn)量更高、納米粒子分布更均勻的功能納米纖維。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，研究了該裝置批量制備含 ZnO 納米粒子的功能納米纖維的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果吻合，表明在適當(dāng)?shù)碾妷海?/span>50 kV）和氣流（50 m3/h）條件下，該裝置能使紡絲溶液中含有的氧化鋅納米粒子在紡絲過程中保持均勻分散，從而獲得氧化鋅納米粒子分布更均勻的功能納米纖維，其質(zhì)量和產(chǎn)率均高于其他高產(chǎn)電紡裝置制備的納米纖維。

三、結(jié)論

使用帶多個(gè)進(jìn)氣口的電紡絲裝置（EMAI）批量制備 ZnO/PAN 納米纖維。研究發(fā)現(xiàn)，與 SSFSE 相比，EMAI 所獲得的復(fù)合納米纖維中 ZnO 納米粒子的分布更為均勻。這是因?yàn)樵?EMAI 紡絲過程中，通過多孔的氣流使紡絲溶液中的 ZnO 納米粒子保持均勻分散，減少了納米粒子的團(tuán)聚。通過實(shí)驗(yàn)研究了空氣流速對(duì)紡絲效果的影響，結(jié)果表明過大或過小的空氣流速都不利于獲得高質(zhì)量的功能納米纖維。當(dāng)空氣流速為 50 m3/h 時(shí)，僅產(chǎn)生少量微氣泡，從而得到 ZnO 納米粒子分布均勻的 ZnO/PAN 納米纖維。

此外，還通過實(shí)驗(yàn)和理論研究了紡絲電壓對(duì) EMAI 過程以及 ZnO/PAN 納米纖維質(zhì)量和產(chǎn)量的影響。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，表明隨著紡絲電壓的增加，紡絲溶液表面產(chǎn)生的噴流數(shù)量也增加。然而，過高的紡絲電壓（60 kV）會(huì)使噴流不穩(wěn)定，紡絲速度過快，導(dǎo)致纖維和纖維束變粗。當(dāng)電壓為 50 kV 時(shí)，紡絲過程穩(wěn)定，ZnO/PAN 納米纖維的質(zhì)量和產(chǎn)量都很高。這為批量制備均勻負(fù)載納米粒子的功能納米纖維提供了一種方便有效的方法，從而拓展了功能納米纖維在未來的實(shí)際應(yīng)用。

圖1.EMAI 的示意圖（a）；銅質(zhì)多孔噴絲板的三維示意圖（b）及其相應(yīng)的縱切面（c）和橫切面（d）。

 

圖2.不同空氣流量（150 m3/h (a)、100 m3/h (b)、50 m3/h (c) 和 0 m3/h (d)）和電壓（40 kV (e)、50 kV (f) 和 60 kV (g)）下的 EMAI 紡絲過程。