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近场静电纺丝初探

1.近场静电纺丝的由来

   传统电纺所得的无序、不规则排列的无纺布纤维结构在一定程度上限制了纳米纤维的进一步应用。特别是随着电纺纳米纤维在组织结构、柔性电子、微纳器件等领域的应用发展,对纳米纤维的可控沉积有更迫切的需求。因此,制备有序排列的可控纳米纤维成为当前静电纺丝技术的研究热点。目前制备有序电纺纳米纤维的方法主要有:转辊法、平行电极法、图案化电极法、近场电纺法等。

   随着对静电纺丝技术及其制备的纳米纤维的深入研究,静电纺丝装置近年来也做了大量的改进。早期的电纺装置改进主要集中在喷头与接收器上,近几年由于静电纺丝高电压所引发的安全与能耗问题,使得研究人员逐步探索低压电纺。目前实现低压电纺主要有三个途径:一是增加外力辅助作用以减小电场力作用;二是改变纺丝液组分,添加具有特殊性能的物质;三是改变纺丝距离。其中效果最为显著的方式是改变纺丝距离,即近场电纺。

2.近场静电纺丝的发展

    2003年,Jun Kameoka等最先研究低压电纺,介绍了一种用扫描探针作纺丝针尖进行静电纺丝制备有序纤维的方法。用自助装300um左右的箭头形硅针尖作探针,采用探针蘸取聚合物溶液的方式进行电纺,纺丝距离为2cm,纺丝电压4-6kV。这种方法使得低压近场静电纺丝变为可能,通过收集板相对纺丝针尖旋转得到了有序排列的微纳米纤维。图1为低压电纺聚合物纤维的制备过程示意图。

图1 近场静电纺丝纳米纤维制备过程示意图  

   2006年,厦门大学孙道恒等首次提出近场静电纺丝的概念,该团队使用自组装25um的钨针尖蘸取纺丝溶液进行近场电纺,纺丝距离500um,纺丝电压仅有600V。文章重点研究了近场电纺在直写技术中的应用,控制收集板以不同的速度单向移动,将收集板移动速度与纺丝速度进行协调匹配,达到制备有序纤维目的,并进行了一些初步的直写尝试。文中提到的近场电纺示意图及纺丝过程照片如图2所示。

图2 (A)近场电纺原理示意图;(B~E)纺丝过程照

3.近场静电纺丝的原理

   近场电纺不仅达到了降低纺丝电压的目的,而且可以实现对纤维的精确可控沉积,极大促进了其在直写领域、大面积图案化、高精度收集、微流连接、微机电系统、组织神经等领域的应用,特别是近场电纺在纳米纤维直写技术上的应用最为广泛和成熟。其基本原理为:通过降低纺丝距离(几厘米甚至几毫米的尺度范围)来降低纺丝电压。近场电纺中,一般采用探针针尖蘸取纺丝液的方式进行纺丝,纺丝距离控制在20mm以下,纺丝电压约1kV-4kV,同时将收集板置于二维运动平台,通过控制二维运动平台的运动路径,实现电纺纤维在二维平面内的定点沉积。

4.近场静电纺丝的应用

    低压近场静电纺丝技术通过减小纺丝距离降低纺丝电压,既能减少能耗又能提高安全系数,而且有效地解决了传统静电纺丝过程的不稳定性,实现了纤维的可控沉积,为满足目前工业化生产中对大规模制备微纳米纤维以及精确控制纤维形貌的需求提供可能,因此在纳米直写技术、纳米纤维大面积有序沉积、纳米纤维高精度沉积、微电子系统等领域具有非常大的应用前景。

   Sun等在前期对近场电纺直写有序纳米纤维的研究基础上,探索出近场电纺技术制备纳米沟道的方法。首先利用近场静电纺丝技术将纳米纤维按预定轨道直接沉积在衬底上,之后在衬底上磁控溅射一层金膜作沟道材料,最后将该衬底在氯仿中进行超声清洗,纳米纤维及覆盖在其上的金即被剥离,进而形成一条纳米沟道。实验表明,沟道的宽度和形状受近场电纺工艺参数的影响,当近场电压从1.2kV变化到2.5kV时,相应的沟道宽度从133nm变化到13.54um。此外,除去直线型纳米沟道,通过调节基底的移动规律还可制备网格状及波浪状纳米沟道,如图3所示。

图3 (a)近场电纺制备纳米沟道原理;(b)不同形貌的纳米沟道

5.近场静电纺丝在未来的研究方向

    近年来,越来越多的材料通过近场静电纺丝技术被制备成微纳米纤维,应用领域也越来越宽广。但受到探针针尖蘸取量的限制,近场电纺不能进行连续大规模的制备微纳米纤维。此外,纺丝液形成的泰勒锥与收集板间有限的距离导致纤维在电场中劈裂、拉伸和细化的程度不够,使所得纤维直径偏大,达不到纳米级别。这些成为近场电纺发展初期限制其应用的主要因素,同时也是我们未来的研究方向。因此,近场静电纺丝的未来的研究主要集中在:近场电纺的理论研究;电纺丝形貌的可重复制备,包括均一性、有序性以及新型结构的制备;近场电纺丝在光电子器件、微流控芯片和生物检测等领域的应用。

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