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          技術文章

          掃描電鏡在靜電紡絲技術中應用

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          納米科技是未來重要前沿科技之一,對該領域的探索應用極大地豐富了人們對世界的認知,并給人們的生活帶來變革。近年來納米材料在相關領域表現突出,制備納米材料的方法越來越豐富,靜電紡絲技術是制備納米纖維較有效的方法,已經成為研究熱點。

           

          靜電紡絲法具有操作簡單、工藝可控及可紡物質多等優點,圖1為靜電紡絲裝置的結構示意圖,主要由三部分組成:高壓電源、帶有金屬針的注射器和收集器(通常是金屬濾網或旋轉心軸)。當在收集器和噴絲頭之間施加高壓時,由于聚合物溶液的液滴帶電,在粘性力、表面張力和靜電力的協同作用下,一旦靜電力克服了液滴的表面張力,錐形液滴(稱為泰勒錐)將從針尖旋轉出來,并在靜電力的幫助下拉伸。在噴射過程中,聚合物溶液的溶劑蒸發,形成連續的固體納米纖維,富集在收集器上。靜電紡絲獲得的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高等優點,因此,在化工和電子、能源材料、生物醫學以及無機材料等諸多領域越來越顯示出應用潛力。

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          1 靜電紡絲設備示意圖

           

           

          靜電紡絲法制備鋰電負極材料:ZnS 具有高達962 mAh g-1 的儲鋰理論比容量,被認為是新型LIBs 負極材料的理想候選。但其在嵌鋰/脫鋰過程中體積和結構的巨大變化及較弱的導電性極大地阻礙了ZnS 材料的實際應用。官鳴宇提出了采用靜電紡絲法制備硫化鋅/炭纖維材料(ZnS/CFs),并通過構造多孔結構和與FeS 復合的方法,優化ZnS/CFs的LIBs 儲鋰性能,獲得了系列具有良好儲鋰性能的ZnS/CFs 基復合材料,如下圖3。

           

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          2  ZnS/CFs 合成路線示意圖

           

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          圖3-CFs 和ZnS/CFs SEM 圖(a)CFs;(b)ZnS/CFs-1;(c)ZnS/CFs-1.5;(d)ZnS/CFs-2。圖中ZnS/CFs-1、ZnS/CFs-1.5 和ZnS/CFs-2 中的ZnS 含量分別約為31.98%、39.81%和45.66%。

           

           

          靜電紡絲技術制備固態聚合物電解質ASPEs研究在ASPEs 鋰電池中,聚合物基體中無定形區域的含量是影響Li+遷移數的最直接因素,增加聚合物的無定形區域是電池實現理想性能的主要挑戰之一。研究表明,靜電紡絲纖維結構作為無溶劑電解質在鋰離子電池的應用中具有巨大潛力。在靜電紡絲過程中,聚合物射流的比表面積比較大,溶劑快速蒸發,導致聚合物和鋰鹽難以形成結晶區域。此外,靜電紡絲纖維結構中細小空隙的存在有利于Li+的遷移,從而提高SPEs 的離子電導率。

           

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          圖4  LATP/PAN/PEO/LiTFSI CSEs 制備過程示意圖

           

           

           

          靜電紡絲技術制備藥物速溶纖維膜:難溶性藥物在水中溶解度小,難以被機體吸收,體內消除速度較快,血藥濃度容易出現峰谷現象,口服制劑生物利用度低,且難以實現劑型的多樣化。通過靜電紡絲技術制備的纖維膜具有明顯改善藥物溶解度的效果。楊燕等人的專利中獲得的藥物纖維膜由直徑為0 .2-50μm的藥物纖維堆積而成,為網狀或層狀多孔結構,比表面積大,可極大提高難溶性藥物的溶出速度。且速釋纖維膜由純藥物組成,無需添加任何載體和輔料,就能達到成型和速釋效果,簡化了處方,大大提高了載藥量。

           

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          圖5  哚美辛纖維膜的顯微外觀

           

           

           

          靜電紡絲納米纖維應用領域不同,導致對其孔隙、排列取向和直徑分布要求都不相同。納米纖維的形態、結構和性能不僅取決于聚合物前驅體溶液的性質,如分子量、粘度、電導率和表面張力,而且還取決于集電極的形狀和靜電紡絲的參數,如電壓、流速、針頭與收集滾筒之間的距離等。所以,靜電紡絲參數對收集的納米纖維的形貌有很大影響,可以根據實際需要通過控制靜電紡絲影響參數,從而調控納米纖維的形貌。
          掃描電鏡作為觀察樣品微觀形貌的主要方法之一,具有高景深、高倍率、樣品制備容易等多個特點。但對于堆積較厚且不均勻的靜電紡絲樣品而言,不易得到清晰高倍的無損圖像。賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2兼具高質量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術,超低電壓下可直接分析不導電樣品,且無需做任何噴鍍處理。如下圖6所示,直接將靜電紡絲樣品置于Apreo 2電鏡中,在500V低電壓下輕松成像,樣品無荷電且無損傷。并且憑借快捷的FLASH功能,設備可自動執行精細調節動作,只需移動幾次鼠標,就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學者也能充分發揮Apreo 2的最佳性能。

           

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          圖6 Apreo2低電壓下獲得的靜電紡微觀形貌

           


           

          參考資料:

           

          1. 朱彩紅等. 靜電紡絲納米纖維的制備研究.
          2. 官鳴宇. 電紡絲法制備金屬硫化物/炭纖維復合材料及其儲鋰性能研究.
          3. 曹 倩. 聚合物固態電解質的靜電紡絲制備與表征.
          4. 楊燕等. 一種純藥物速溶纖維膜及其制備方法.
          5. Li Dan, Chen Long, Wang Tianshi, et al. 3D fiber-network-reinforced bicontinuouscomposite solid electrolyte for dendrite-free lithium metal batteries[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(8):7069-7078.

           


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