Электроспиннинг

редактировать
Сканирующая электронная микроскопия Изображение электропряденых поликапролактоновых волокон. Фотография мениска поливинилового спирта в водном растворе, показывающая волокна электропрядение из конуса Тейлора.

Электропрядение - это метод производства волокна, при котором используется электрическая сила для вытягивания заряженных нитей из растворов полимеров или полимеров, плавящихся до волокна диаметры порядка нескольких сотен нанометров. Электропрядение имеет общие характеристики как электрораспыления, так и обычного растворного сухого формования волокон. Этот процесс не требует использования химии коагуляции или высоких температур для получения твердых нитей из раствора. Это делает процесс особенно подходящим для производства волокон с использованием больших и сложных молекул. Также практикуется электропрядение из расплавленных прекурсоров; этот метод гарантирует, что никакой растворитель не может быть перенесен в конечный продукт.

Содержание

  • 1 Процесс
  • 2 Параметры
  • 3 Аппарат и диапазон
  • 4 Возможности увеличения масштаба
  • 5 Другие методы
    • 5.1 Коаксиальное электроспиннинг
    • 5.2 Электроформование эмульсии
    • 5.3 Электропрядение из расплава
  • 6 История
  • 7 Использование
    • 7.1 Фильтрация
    • 7.2 Текстильное производство
    • 7.3 Медицинское оборудование
    • 7.4 Косметика
    • 7.5 Фармацевтическое производство
    • 7.6 Композиты
    • 7.7 Катализаторы
  • 8 Массовое производство
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Процесс

Когда к капле жидкости приложено достаточно высокое напряжение тело жидкости становится заряженным, и электростатическое отталкивание противодействует поверхностному натяжению, и капля растягивается; в критической точке с поверхности вырывается поток жидкости. Эта точка извержения известна как конус Тейлора. Если молекулярная когезия жидкости достаточно высока, разрыва струи не происходит (если это происходит, капли распыляются электрораспылением) и образуется заряженная струя жидкости.

По мере высыхания струи в полете режим тока поток меняется с омического на конвективный по мере того, как заряд мигрирует к поверхности волокна. Затем струя удлиняется за счет процесса взбивания, вызванного электростатическим отталкиванием, возникающим при небольших изгибах волокна, до тех пор, пока она, наконец, не осаждается на заземленном коллекторе. Удлинение и утонение волокна в результате этой нестабильности при изгибе приводит к образованию однородных волокон с диаметром нанометров.

Как распределение заряда в волокне изменяется по мере высыхания волокна во время полета Диаграмма, показывающая образование волокна путем электроспиннинга

Параметры

  • Молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение и архитектура (разветвленная, линейная и т. Д.) Полимера
  • Свойства раствора (вязкость, проводимость и поверхностное натяжение)
  • Электрический потенциал, скорость потока и концентрация
  • Расстояние между капилляром и экраном для сбора
  • Параметры окружающей среды (температура, влажность и скорость воздуха в камере)
  • Движение и размер целевого экрана (коллектора)
  • Калибр иглы

Аппарат и диапазон

Стандартная лабораторная установка для электроспиннинга состоит из фильеры (обычно шприц для подкожных инъекций игла), подключенный к высоковольтному (от 5 до 50 кВ) источнику постоянного тока источника питания шприцевого насоса и заземленного коллектора. Раствор полимера, золь-гель, суспензия частиц или расплав загружается в шприц, и эта жидкость выдавливается из наконечника иглы с постоянной скоростью с помощью шприцевого насоса. В качестве альтернативы, капля на кончике фильеры может быть пополнен за счет подачи из резервуара заголовка, обеспечивающей постоянное давление подачи. Эта подача с постоянным давлением лучше подходит для сырья с низкой вязкостью.

Схема электропрядения / электрораспыления с вариациями для различных результатов обработки. Лабораторная машина для электропрядения с постоянным давлением (настроена для производства горизонтального волокна)

Возможности увеличения масштаба

  • Увеличение количества игл
  • Вращающееся роликовое электропрядение
  • Электропрядение с проволокой
  • Пузырьковое электропрядение
  • Электропрядение с шариком
  • Высокоскоростное электропрядение
  • Электропрядение по краю пластины
  • Электропрядение с чашей
  • Электропрядение с полой трубкой
  • Электропрядение с вращающимся конусом
  • Электропрядение со спиральной спиралью
  • Электропрядение
  • Безыгольное электроспиннинг
  • Переменный ток электроспиннинг

Другие методы

Модификация фильеры и / или типа раствора может позволить создавать волокна с уникальной структурой и свойствами. Электросрядные волокна могут иметь пористую морфологию или морфологию ядро-оболочка в зависимости от типа пряденных материалов, а также скорости испарения и смешиваемости используемых растворителей. Для методов, которые включают в себя несколько прядильных жидкостей, общие критерии создания волокон зависят от прядильности внешнего раствора. Это открывает возможность создания композитных волокон, которые могут функционировать как системы доставки лекарств или обладать способностью к самовосстановлению в случае отказа.

Коаксиальное электроспиннинг

Коаксиальная фильера из нержавеющей стали, произведенная компанией Ramé-Hart Tool co., Succasunna, NJ.

В коаксиальной установке используется система подачи двух растворов, которая позволяет вводить один раствор в другой на конце фильеры. Полагают, что оболочка действует как носитель, который втягивает внутреннюю жидкость в конус Тейлора струи электропрядения. Если растворы несмешивающиеся, то обычно наблюдается структура оболочки ядра. Однако смешивающиеся растворы могут привести к пористости или волокну с отдельными фазами из-за разделения фаз во время затвердевания волокна. Для более сложных настроек можно использовать трехосную или четырехосную (четырехосную) фильеру с несколькими растворами.

Электроформование эмульсии

Эмульсии могут использоваться для создания сердцевинной оболочки или композитных волокон без модификации фильеры. Однако эти волокна обычно труднее производить по сравнению с коаксиальным прядением из-за большего числа переменных, которые необходимо учитывать при создании эмульсии. Водную фазу и фазу несмешивающегося растворителя смешивают в присутствии эмульгирующего агента с образованием эмульсии. Может быть использован любой агент, который стабилизирует границу раздела между несмешивающимися фазами. Были успешно использованы поверхностно-активные вещества, такие как додецилсульфат натрия, тритон и наночастицы. Во время процесса электропрядения капли эмульсии в жидкости растягиваются и постепенно удерживаются, что приводит к их слиянию. Если объемная доля внутренней жидкости достаточно высока, может быть сформировано непрерывное внутреннее ядро.

Электроформование смесей является разновидностью этого метода, в котором используется тот факт, что полимеры обычно не смешиваются с каждый и может разделять фазы без использования поверхностно-активных веществ. Этот метод можно дополнительно упростить, если использовать растворитель, который растворяет оба полимера.

Электроформование из расплава

Электроформование полимерных расплавов устраняет необходимость в летучих растворителях при электроформовании раствора. Могут быть созданы полукристаллические полимерные волокна, такие как PE, ПЭТ и ПП, которые в противном случае было бы невозможно или очень сложно создать с помощью формования из раствора. Устройство очень похоже на то, что используется при обычном электропрядении, и включает использование шприца или фильеры, источника высокого напряжения и коллектора. Расплав полимера обычно получают путем нагревания либо резистивным нагревом, либо циркулирующими жидкостями, либо нагревом воздуха, либо лазером.

Из-за высокой вязкости полимерных расплавов диаметры волокон обычно немного больше, чем диаметры волокон, получаемых при электроформовании в растворе. Однородность волокна при достижении стабильной скорости потока и теплового равновесия имеет тенденцию быть очень хорошей. Нестабильность взбивания, которая является преобладающей стадией, на которой волокно вытягивают для формования из растворов, может отсутствовать в процессе из-за низкой проводимости расплава и высокой вязкости расплава. Наиболее существенными факторами, влияющими на размер волокна, как правило, являются скорость подачи, молекулярная масса полимера и диаметр фильеры. К настоящему времени были созданы волокна размером от ~ 250 нм до нескольких сотен микрометров, при этом меньшие размеры достигаются с использованием полимеров с низким молекулярным весом.

История

конец 16 века Уильям Гилберт задался целью описать поведение магнитных и электростатических явлений. Он заметил, что когда кусок янтаря, имеющий соответствующий электрический заряд, подносится к капле воды, он принимает форму конуса, и маленькие капли выбрасываются из кончика конуса: это первое зарегистрированное наблюдение электрораспыления.

В 1887 году К. В. Мальчишка описал «старый, но малоизвестный эксперимент электрического прядения». Аппарат мальчиков состоял из «небольшой тарелки, изолированной и соединенной с электрической машиной». Он обнаружил, что когда его исходная жидкость достигала края тарелки, он мог вытягивать волокна из ряда материалов, включая шеллак, пчелиный воск, сургуч, гуттаперча и коллодий.

Процесс электроспиннинга был запатентован Дж. Ф. Кули в мае 1900 г. и феврале 1902 г. и У. Дж. Мортоном в июле 1902 г.

В 1914 г. Джон Зеленый опубликовал работу о поведении капель жидкости на концах металлических капилляров. Его усилия положили начало попытке математического моделирования поведения жидкостей под действием электростатических сил.

Дальнейшие разработки в направлении коммерциализации были сделаны Антоном Формхалсом и описаны в серии патентов с 1934 по 1944 год на производство текстильных нитей. Электроформование из расплава, а не раствора, было запатентовано C.L. Нортон в 1936 году использовал воздушную струю, чтобы способствовать образованию волокон.

В 1938 году Натали Д. Розенблюм и Игорь В. Петрянов-Соколов, работая в группе Николая А. Фукса в Лаборатории аэрозолей ФГУП им. Институт Карпова в СССР произвел электропряденые волокна, которые они разработали в фильтрующие материалы, известные как «фильтры Петрянова ». К 1939 году эта работа привела к созданию в Твери фабрики по производству электроэлементов дымовых фильтров для противогазов. Материал, названный BF (Battlefield Filter), формуют из ацетата целлюлозы в смеси растворителей дихлорэтана и этанола. К 1960-м годам объем производства фильерного фильтрующего материала составлял 20 миллионов м3 в год.

Между 1964 и 1969 гг. сэр Джеффри Ингрэм Тейлор разработал теоретическую основу электропрядения. Работа Тейлора способствовала электроспиннингу, математически моделируя форму конуса, образованного каплей жидкости под действием электрического поля; эта характерная форма капли теперь известна как конус Тейлора. Далее он работал с Дж. Р. Мельчером над разработкой «модели протекающего диэлектрика» для проводящих жидкостей.

Саймон в отчете о гранте NIH SBIR 1988 года показал, что электропрядение из раствора может быть использовано для производства полистирола нано- и субмикронного масштаба. и маты из поликарбонатных волокон, специально предназначенные для использования в качестве клеточных субстратов in vitro. Это раннее применение электроспряденных волокнистых решеток для клеточных культур и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток будут прикрепляться к волокнам и размножаться на них in vitro. Также наблюдались небольшие изменения химического состава поверхности волокон в зависимости от полярности электрического поля во время прядения.

В начале 1990-х годов несколько исследовательских групп (в частности, группа Ренекера и Рутледжа, которые популяризировали название электроспиннинг для процесс) продемонстрировал, что многие органические полимеры могут быть электроспрядены в нановолокна. С тех пор количество публикаций об электроспиннинге росло с каждым годом в геометрической прогрессии.

С 1995 года были проведены дальнейшие теоретические разработки приводных механизмов процесса электроспиннинга. Резник и др. описал форму конуса Тейлора и последующий выброс струи жидкости. Hohman et al. исследовали относительные темпы роста множества предложенных нестабильностей в электрически форсированной струе, находящейся в полете, и предприняли попытку описать наиболее важную нестабильность процесса электроспиннинга, неустойчивость изгиба (взбивания).

Использование

Размер электропряденого волокна может быть в наномасштабе, и волокна могут обладать наноразмерной текстурой поверхности, что приводит к различным способам взаимодействия с другими материалами по сравнению с материалами макроуровня. В дополнение к этому ожидается, что ультратонкие волокна, полученные методом электроспиннинга, будут иметь два основных свойства: очень высокое отношение поверхности к объему и относительно бездефектную структуру на молекулярном уровне. Это первое свойство делает электропряденый материал подходящим для деятельности, требующей высокой степени физического контакта, такой как обеспечение участков для химических реакций или улавливание мелкодисперсного материала путем физического запутывания - фильтрации. Второе свойство должно позволить электропряденым волокнам приблизиться к теоретической максимальной прочности формованного материала, открывая возможность получения высоких механических характеристик композитных материалов.

Фильтрация

Улавливаемые споры мха Lycopodium Club (диаметр около 60 микрометров) на электропряденом волокне из поливинилового спирта

Использование нановолоконных полотен в качестве фильтрующей среды хорошо известно. Из-за небольшого размера волокон силы Лондона-Ван-дер-Ваальса являются важным методом адгезии между волокнами и захваченными материалами. Полимерные нановолокна используются в системах фильтрации воздуха более семи десятилетий. Из-за плохих объемных механических свойств тонких нанопаутины они укладываются на подложку с фильтрующей средой. Малые диаметры волокон вызывают потоки скольжения на поверхностях волокон, что приводит к увеличению эффективности перехвата и инерционного удара этих композитных фильтрующих материалов. Повышенная эффективность фильтрации при том же падении давления возможна с волокнами диаметром менее 0,5 мкм. Поскольку основными свойствами защитной одежды являются перенос паров влаги, повышенная дышащая способность ткани и повышенная химическая стойкость к токсичным веществам, мембраны из электропряденого нановолокна являются хорошими кандидатами для этих целей.

Текстильное производство

Большинство ранних патентов на электропрядение относились к текстильным приложениям, однако на самом деле тканого материала производилось мало, возможно, из-за трудностей с обработкой едва видимых волокон. Тем не менее, электроспиннинг имеет потенциал для производства бесшовных нетканых предметов одежды за счет интеграции передовых технологий производства с электроспиннингом волокон. Это обеспечит многофункциональность (огнестойкость, химическая защита, защита окружающей среды) за счет смешивания волокон в электропрядильные (с использованием электроспиннинга для объединения различных волокон и покрытий с образованием трехмерных форм, таких как одежда ) слои в сочетании с полимерные покрытия.

Медицина

Электропрядение также может использоваться в медицинских целях. Каркасы, изготовленные из электропрядения, предназначенные для тканевой инженерии, могут быть пронизаны клетками для лечения или замены биологических мишеней. Нанофиброзные повязки для ран обладают превосходной способностью изолировать рану от микробных инфекций. Другие медицинские текстильные материалы, такие как шовные нити, также можно получить с помощью электропрядения. Путем добавления лекарственного вещества в раствор для электропрядения или расплава могут быть получены различные волокнистые системы доставки лекарств (например, имплантаты, трансдермальные пластыри, пероральные формы).

Косметика

Наноматериалы электропрядения использовались для контроля их доставки, чтобы они могли работать внутри кожи, улучшая ее внешний вид. Электроспиннинг - альтернатива традиционным наноэмульсиям и нанолипосомам.

Фармацевтическое производство

Непрерывный способ и эффективный эффект сушки позволяют интегрировать электроспиннинг в системы непрерывного фармацевтического производства. Синтезированное жидкое лекарство можно быстро превратить в твердый продукт, полученный методом электроспряжения, который можно перерабатывать для таблетирования и других лекарственных форм.

Композиты

Ультратонкие электропряденые волокна демонстрируют явный потенциал для производства длинноволокнистых композиционных материалов.

Применение ограничено трудностями в получении достаточного количества волокна для получения существенного масштабные статьи в разумные сроки. По этой причине медицинские приложения, требующие относительно небольших количеств волокна, являются популярной областью применения материалов, армированных электропрядением.

Электропрядение исследуется как источник экономичных и простых в производстве перевязочных материалов для ран, медицинских имплантатов и каркасов для производства искусственных тканей человека. Эти каркасы выполняют ту же функцию, что и внеклеточный матрикс в естественной ткани. Для этой цели обычно используются биоразлагаемые полимеры, такие как поликапролактон. Эти волокна затем могут быть покрыты коллагеном, чтобы способствовать прикреплению клеток, хотя коллаген был успешно спряден непосредственно в мембраны.

Оптическое изображение эпоксидной смолы, пропитывающей мат из армирующих волокон из электропряденого поливинилового спирта СЭМ-изображение поверхности излома композита длинное волокно поливинилового спирта - эпоксидная матрица - толщина сечения составляет около 12 микрометров

Катализаторы

Электроспряденные волокна могут иметь потенциал в качестве поверхности для ферментов. обездвижен на. Эти ферменты могут быть использованы, среди прочего, для расщепления токсичных химикатов в окружающей среде.

Массовое производство

На сегодняшний день, по крайней мере, в восьми странах мира есть компании, которые обеспечивают промышленный уровень и лабораторные электропрядильные машины: по три компании в Италии и Чехии, по две в Иране, Японии и Испания и по одному в Нидерландах, Новой Зеландии и Турции.

Ссылки

Дополнительная литература

  • История науки и технологии электроспиннинга из 1600–1995, Н. Такер, Дж. Стангер, член парламента Стайгер, Х. Раззак и К. Хофман, Журнал инженерных волокон и тканей, том 7, выпуск 2 - 2012, стр. 63–73 [1]
  • Электропрядение: Материалы, обработка и применение, J.-H. Wendorff, S. Agarwal, A. Greiner, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2012, ISBN 978-3527320806.
  • Наука и технология полимерных нановолокон, AL Andrady, A. John Wiley Sons, Inc., Хобокен, США, 2008, ISBN 978-0-471-79059-4.
  • Electrospinning, J. Stanger, N. Tucker, и М. Штайгер, Издательство I-Smithers Rapra (Великобритания), 2009, ISBN 978-1-84735-091-6.
  • Введение в электропрядение и нановолокна, S. Рамакришна, К. Фуджихара, WE Teo, World Scientific Publishing Co. Pte Ltd. (июнь 2005 г.), ISBN 981-256-415-2.
  • Электроформование микро- и нановолокна: основы и применение в процессах разделения и фильтрации, Ю. Филлатов, А. Будыка, В. Кириченко (пер. Д. Леттерман), Begell House Inc., Нью-Йорк, США, 2007, ISBN 978-1-56700-241-6.
  • Выявление новых степенных законов и квантования в электроспиннинге с учетом разделения струи - на пути к прогнозированию диаметра волокна и его распределения, Д. У.. Schubert, Macromolecular Theory and Simulations, Volume 4, Issue 18 - 2019 ISSN 1022-1344.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:39:17
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте