研究**
表面活性劑對靜電紡絲微奈米纖維的直徑和形態的影響
1 簡介
超細聚合物奈米纖維已經廣泛應用在微/奈米體系和靈活的電子產品領域。目前，快速和低成本製造是超細聚合物奈米纖維工業應用和發展的主要方面，並受到了近年來的廣泛關注。作為乙個獨特而簡單的微奈米型製造技術，靜電紡絲並不需要模板，**蝕刻或者超潔淨室。
幾奈米到幾微公尺的奈米纖維可在正常溫度和壓力下進行靜電紡絲。靜電紡絲還具有良好的材料相容性，這些相容性符合聚合靈活和微奈米系統的發展需求。截至目前，數以百計的材料已經通過靜電紡絲紡入奈米纖維，如聚合物，玻璃，金屬和蛋白質。
靜電紡絲奈米纖維具有極高的比表面積和突出的機械和物理效能，並非常適合的被應用在各種領域，如藥物輸送，感測材料，模板催化，離子電池薄膜。減少直徑和促進靜電紡絲奈米纖維的均勻一致性是產業應用的關鍵 。
在電紡過程中，高電壓被應用於拉伸成圓錐形狀的叫做泰勒錐的方案中。當電場力克服表面張力，從圓錐體尖端噴出物體。源於積累電荷的電荷排斥力被干擾到彈射和運動的聚合物噴嘴處。
不穩定運動是伸縮帶電噴嘴的重要因素。歸因於彎曲和運動不穩定，電紡奈米纖維隨機沉積在非紡織品收集器上。
靜電紡絲奈米纖維的形態在噴射過程中靜電噴射的帶電射流的流變學行為是很重要的。在伸縮性不好或者液體噴射的情況下通常有珠串結構出現在電紡奈米纖維中。珠狀結構源於表面張力的液體噴射，其中溶液粘度，表面張力，電荷大小是主要的影響因素。
靜電紡絲之間的排斥力隨著電荷密度的增加而增加，並且提供乙個有效的方式增加均勻性和減少靜電紡絲奈米纖維的直徑。表面活性劑被用於減少表面張力和增加靜電荷密度。比如，林艾爾用陽離子表面活性劑增加噴射電荷密度；然後不穩定因素被增強同事珠狀奈米纖維也就被克服了。
jia和qin用表面活性劑改變靜電紡絲的表面張力；一次奈米纖維的熱力學效能和內部結構就能被調整。直徑和形態對表面活性的影響應被更深的學習從而用來促進它的應用。
本實驗中，引入不同的表面活性劑來減少奈米纖維的直徑和預防珠狀結構在靜電紡絲奈米纖維中的形成。表面活性劑會增加電荷密度和擴大靜電射流之間的排斥力。然後，不穩定運動也增加了電荷排斥力。
對奈米纖維的直徑轉換特徵和形態進行了研究
2 實驗過程
2.1 實驗設定
建立在傳統的桿式噴嘴設定在本實驗中得到應用。高壓電源用來提供金屬噴頭和鋁製收集板之間的電場。高壓電源的正極連線在鋼鐵噴絲頭上，陰極接地。
精密的注射器用來將聚合物溶液從注射器輸送到噴頭。
2.2 靜電紡絲溶液
pvdf用來做靜電紡絲溶液。pvdf粉末加到丙酮和n,n二甲基甲醯胺混合溶液中。丙酮和dmf在混合溶液中的重量比是2:
3。溶液中的pvdf質量濃度是12％。陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(sds)、非離子表面活性劑triton x - 100和陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(htab)加入到pvdf的溶液中來分別研究表面活性劑對紡奈米纖維的直徑和形態的影響。
這三種表面活性劑是從中國的化學試劑國藥控股公司購買的，並且沒有被進一步提純使用，在pvdf溶液濃度分別是3.5×103摩爾/公升, 1.75×102摩爾/公升,3.
5×102摩爾/公升。
2.3 靜電紡絲過程
在實驗中，pvdf溶液被精密的注射幫浦以200l/hr的流速轉移到噴嘴處。高電壓連線在噴嘴處，噴絲頭和收集板之間的距離是15cm。然後靜電紡絲奈米纖維在sem下觀察和測量。
在觀察之前，樣本要濺射鍍膜一層10nm厚的金薄層。
3 結果和討論
3.1 溶液性質
聚合物溶液的電導率和表面活性劑濃度之間的關係如圖1所示。聚乙二醇辛基苯基醚電導率並沒有改變，因為它是非離子表面活性劑，也沒有增加溶液中的自由電子。圖一表明電導率不隨著表面活性劑的濃度增加而增加。
和沒有表面活性劑的聚合物溶液一樣，pvdf聚乙二醇辛基苯基醚溶液d的電導率是9 us/cm。
3.2 無表面活性劑的珠狀奈米纖維
無表面活性劑的pdvf溶液被用作靜電紡絲溶液。由於溶劑的快速揮發，靜電噴嘴不能被充分的伸展成均勻細小的絲。如圖二，液體射流會被表面張力萎縮成珠狀結構。
珠串奈米纖維的直徑範圍從30奈米到170奈米 ，平均直徑為67.02奈米。奈米纖維的標準偏差為31.
62奈米。歸因於大的表面張力和小延伸率，電紡奈米纖維具有大直徑分布。珠串結構電紡奈米纖維網也具有大的直徑分布，範圍從422奈米到6.
28微公尺。平均直徑為2.06微公尺。
無表面活性的pdvf溶液靜電紡絲的直徑範圍如圖3 所示。降低表面張力和溶液粘度提供了乙個很好的辦法來克服珠串結構。另一方面，增加了靜電荷密度和電場力應用在帶電噴流會促進靜電噴射的伸展性和均勻性。
實際上電紡奈米纖維的直徑和形態通過sem觀察和測量。平均直徑從十個樣品中的五十個資料計算出來。
3.3 具有表面活性的均勻奈米纖維
然後，通過新增表面活性劑聚合物溶液來研究表面活性劑對直徑和形態學的影響。圖4到6分別表示了具有sds，曲通x-100和htab表面活性的pvdf溶液製作的靜電紡絲奈米纖維。隨著表面活性劑的增加，聚合物溶液的導電性和靜電紡絲電荷密度也隨之增加。
隨著靜電荷密度增加，電場力也將應用於帶電射流，同時也增加了不穩定運動和螺旋運動。不穩定運動的帶電射流是促進的拉伸過程的乙個重要的角色，降低了液體噴射直徑，防止串珠結構在奈米纖維的形成。因此,聚合物表面活性劑濃度增加
將導致更少的珠串結構和和更多的均勻的奈米纖維。圖四到圖六的資料顯示，表面活性劑在阻止珠串結構形成的形成和增加靜電紡絲奈米纖維的均一性起了很大的作用。
然後，我們對奈米纖維表面活性劑對直徑分布進的影響行了研究。圖7表示了奈米纖維直徑和溶液中表面活性劑的濃度之間的關係。在表面活性劑的幫助下，奈米纖維的平均直徑少於65nm。
表面活性劑在溶液中的濃度從3.5 × 103 mol/l 增加到3.5 × 102 mol/l，具有sds的pvdf奈米纖維的直徑從51.
68nm增加到39.89 nm。具有hatb的pvdf奈米纖維直徑從60.
19 nm增加到41.61 nm.
圖8到十顯示了具有表面活性劑的pvdf奈米纖維的直徑分布。直徑範圍從30nm到70nm。圖8中溶液體中的表面活性劑濃度是3.
5 ×103 mol/l。圖9中溶液體中的表面活性劑濃度是1.75 × 102 mol/l.
圖10中溶液體中的表面活性劑濃度是3.5 × 102 mol/l。奈米纖維的直徑和直徑的範圍都隨著表面活性劑濃度的增加而增加。
不同的表面活性劑在不同的帶電射流流體學行為中起到不同的作用。圖四顯示了從具有陰離子表面活性劑sds的pvdf溶液中得到的奈米纖維。圖4b顯示了表面活性劑sds濃度為1.
75× 102 mol/l的珠狀結構。圖四c中，溶液濃度為3.5 × 102 mol/lpvdf溶液的靜電紡絲奈米纖維有大的珠串結構。
圖4c中的珠串結構的直徑比b和c圖中的大。圖五顯示了具有曲拉通x-100非離子表面活性劑的pvdf溶液得到的奈米纖維。大表面活性劑濃度導致更少的串珠結構和較小的直徑。
圖6中的具有htab表面活性劑的pvdf溶液得到的奈米纖維比圖四圖五中的珠串結構少並且更小。圖7顯示了有sds表面活性劑的奈米纖維具有更小的直徑，從而在液體噴射是導致更大的電荷排斥力。
在本實驗中，,高壓電源的正極連線到鋼噴嘴噴絲頭。當充電時，液體噴射被正電極帶到了噴絲板上。hatb正離子表面活性劑在噴射過程中對提供正電荷起到更好的作用。
也就是說，htab聚合物溶液具有最高的電導率因此能夠增加溶液中的自由電荷。然後，淨電荷密度可以增加不穩定運動的帶電噴射。因此，htab陽離子表面活性劑的pvdf溶液做的靜電紡絲奈米纖維具有最小的和最少的珠串結構。
4 結論
這裡介紹了不同的表面活性劑來調查來自pvdf溶液的靜電紡絲的流變過程和帶電噴射。在表面活性劑的幫助下，增加靜電紡絲噴射的靜電荷密度來提高電荷排斥力和帶電噴嘴的不穩定性。電噴嘴可以被更大的電場力充分的拉伸成更細更均勻絲。
在表面活性劑的幫助下,電紡奈米纖維的平均直徑小於65奈米是可以製作的,比沒有表面活性劑的pvdf溶液做出的奈米纖維更細。奈米纖維直徑和直徑分布範圍隨表面活性劑濃度的增加而減少。歸因於更大的淨電荷密度, 陽離子型表面活性劑htab將提供乙個很好的方法防止形成串珠結構。
我們學習了表面活性劑對奈米纖維直徑和形態的變換特性的影響，這將為聚合物奈米纖維在工業上的應用提供乙個好的方法。
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