静电纺丝纤维制备及其增韧效果研究(3)

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1.1.2 静电纺丝纤维形貌的影响因素

静电纺丝过程受很多因素影响，主要包括纺丝条件（纺丝距离、电场强度、纺丝速率等)，溶液性质(聚合物浓度、聚合物种类、溶剂体系等）以及周围的环境（温度、湿度等）。

1.1.2.1 分子量

对低分子量的聚合物溶液进行电纺时，由于表面张力引起毛细管破裂导致纺丝射流形成细小液滴而不是纤维。但对于高聚物溶液来说，分子量很大，在电场力拉伸作用下线性大分子形成具有一定取向的相互缠绕的网状结构。所以，液滴之间不但不会快速的分裂，并且会相互连接，这样有助于射流的固化成型。因此，分子量是影响静电纺丝的一个重要因素。

若其它条件不变，随着聚合物分子量的不断变大，电纺纤维形态则会分别出现珠状物、含“串珠”的纤维、圆柱形纤维、扁平的丝带状纤维等；而分子量较低的溶液则趋向于得到含串珠结构、直径分布较宽的纤维；当溶液浓度一定时，随分子量的增大，纤维直径不断增大。

1.1.2.2 溶液浓度

对于特定的聚合物-溶剂的体系，浓度则是最重要的影响因素。溶液浓度对串珠结构的多少、所得纤维的直径及其分布、纤维形貌都有很紧密的联系。通常的情况下，溶液浓度在一定范围内电纺才能顺利的进行，在合适的浓度范围之内，纤维直径随浓度的增大而增大，直径分布随浓度的增大而变窄。若浓度过低，表面张力就处于主导地位，聚合物分子链缠绕变得不充分，便不足以形成稳定的喷射细流，而只能形成小的液滴，因而就会得到具有串珠结构的纤维；若溶液浓度过高，则粘度过大，无法形成纤维。

Hao Fong发现高聚物溶液浓度越大，则“串珠”缺陷就越少。Jayesh Doshi等发现减小溶液的表面张力可减少串珠出现的几率，而且表面张力与溶液浓度紧密相关，在一定范围中，表面张力越小，纺丝就越容易实现。Stijnman等研究了不同来源的多糖水溶液来进行静电纺丝的可能。实验中发现只有多糖溶液的浓度介于10至20单位时, 特鲁顿比才足够高, 而这是保证可纺的必要条件。Mohamed Eltohamy通过电纺法制备磷酸钙(TCP)球形杯，实验通过改变溶液浓度，得到了完整的网状纤维、串珠状纤维与串珠。

1.1.2.3 外加电压

静电纺丝过程中外加电压主要有两方面作用：使纺丝溶液带电荷；提供高压电场。一定范围内，纺丝电压越大，体系的静电力越大，液滴的分裂能力越强，纤维的直径则会趋于减小。由于电纺溶液须克服表面张力后才能形成射流，所以存在一个高聚物静电纺丝的临界电压来保证其所受静电力比液滴的表面张力大，临界电压的大小和聚合物溶液的粘度、浓度以及表面张力等因素有关。

Deitzel等人发现电纺纤维的缺陷和纺丝电压的大小密切相关，随着纺丝电压的增大，纺丝电流则增大，而纤维表面就变得粗糙，“串珠”结构增加。Shenoyd等人发现，外加电压变大，所得产物的形态经历串珠、含串珠的纤维、纤维的变化。Theron等人发现，外加电压不断增大会导致液滴的体电荷密度和表面电荷密度变大，纤维直径会先变小后增大。因此，当外加电压超过某一值时，外加电压增大会使更多溶液从针头的尖端喷出。

1.1.2.4 纺丝距离

针头尖端与收集装置之间的距离称为纺丝距离，它是静电纺丝中的一个重要参数。高聚物喷射并形成射流后，溶剂在空气中不断挥发的同时，聚合物浓缩固化形成纤维，最后落到接收装置上。只有纺丝的距离足够长，溶剂才能在到达接地的接收装置之前挥发去除，进而在收集板上能得到良好形貌的纳米纤维。当纺丝的距离较小时，溶剂便会挥发不完全，纤维之间发生粘结，纤维的直径变大；当纺丝距离变大时，电场强度就相对变小，射流分裂成丝的时间充足，空中行程变大，容易得到干燥而无粘结的纤维，并且得到的纤维直径较小。