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    【靜電紡絲】Seeram Ramakrishna教授——What Is Next for Electrospinning?

    2020-06-19   易絲幫

    靜電紡絲技術自1887年發展至今,已有100余年歷史。利用靜電紡絲技術,人們生產研究了從納米到微米尺度的各種纖維材料,并廣泛應用于各個領域,促進了納米技術的產生和發展。電紡材料已經在生物醫學、能源、環境應用、太空探索、食品、水和農業等領域找到了實際應用。事實上,許多商業產品早已在市場上銷售,包括Smart Mask(來自NASK,nask.hk),細胞培養皿(Sigma-Aldrich),FERENA過濾裝置(KOKEN LTD, http://www.koken-ltd.co.jp/),BOSSIS合成骨(Ortho ReBirth, orthorebirth.com), PestControl (fiber trap, fibertrap.com)等。

    隨著時間的推移,除了簡單地改變和/或取代組成聚合物外,不同研究組和公司對基本的靜電紡絲技術進行了深入的研究革新。重新設計的主要焦點是收集器和噴嘴,通過對其進行調整,以改變纖維材料的形態、排列、直徑、孔隙率和合成的總產量等。在靜電紡絲中,聚合物廣泛參與了纖維形成的所有過程。在溶液中具有適當粘度的可紡聚合物可以獲得理想的纖維,也可以與非可紡材料(如金屬、金屬氧化物或碳顆粒)混合以獲得復合纖維。那么,靜電紡絲科學下一步要實現的目標是什么?

    在本文中,作者提出了三個方面:

    1Where Do Future Opportunities Lie?   

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    圖1. 靜電紡絲作為一種新型的高性能材料制備平臺.(A)電紡纖維過程時關注的兩個區域的示意圖。(B)一維電紡納米纖維結構中二維TMDs的應變可能引起光致發光(PL)、吸光度、拉曼位移和偏振各向異性的變化。借助光學技術,這些變化可以被跟蹤,以量化由靜電紡絲引起的納米纖維的應變、變形、電荷存儲甚至摻雜的程度。

    a)  The pre-solid. 關注電紡過程中快速固化的機理。一直以來,經常討論的是上圖中Zone 1區域的溶劑揮發固化過程,但是關于Zone 2區域的固化機理討論較少,如果能更好地了解這個區域的固化機理,對于設計優化纖維材料具有指導意義。

    b)  At solid state. 在電紡過程中,纖維將經歷彈性或塑性變形(甚至兩者的組合),理解和量化這些情況在理論和實驗上都是一個重大挑戰,但對于控制合成納米纖維的行為和/或以后在各種工程設備和應用中適當地使用它們至關重要。


    2Electrospinning beyond Polymers

    展非聚合物的電紡方法,或者無聚合物參與電紡,或其他紡絲方法。

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    圖2. 超越聚合物領域的靜電紡絲能力.(A)制備的碳納米纖維載體上的前驅鹽微粒圖像,以及碳熱沖擊合成后由分散良好的納米顆粒合成的圖像.(B)五元納米顆粒(Pt、Pd、Ir、Rh和Ru)在納米纖維上的HAADF圖像和元素圖.(C) 激光紡絲法玻璃纖維的SEM圖.(D) 含Al,Cr,Fe,Ni,Mo合金超細纖維的SEM和EDS圖像.(E)示意圖顯示利用靜電紡絲和激光紡絲獲得超細全金屬納米纖維的可能性.

    3Novel Applications and Foresight

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    圖3. 所生產的納米纖維性質的改變有望使材料具有多種用途

    結論

    盡管靜電紡絲技術制備及其合成材料的研究成果豐碩,但仍有許多工作要做。下一個趨勢主要取決于三個因素:(1)更好地理解納米纖維的形成過程和所制備的纖維材料;(2)獲得一類新的納米纖維(金屬纖維和雜化纖維),以及(3)靜電紡絲技術工程化以獲得廣泛應用的新材料(通過后處理等)。

    靜電紡絲技術的持續發展可能會持續100年。


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