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静电纺丝技术制备陶瓷纳米纤维及其应用

中国粉体网 2019/8/3 08:03:47 点击 1637 次

导读 根据纳米材料的几何特征,人们通常将纳米材料分为零维纳米材料(如纳米团簇、纳米微粒、人造原子等)、一维纳米材料(如纳米碳管、纳米纤维、纳米同轴电缆等)、二维纳米材料(纳米薄膜)和纳米相材料等。

中国粉体网讯  根据纳米材料的几何特征,人们通常将纳米材料分为零维纳米材料(如纳米团簇、纳米微粒、人造原子等)、一维纳米材料(如纳米碳管、纳米纤维、纳米同轴电缆等)、二维纳米材料(纳米薄膜)和纳米相材料等。


一维纳米材料是指两维方向的尺寸在纳米尺度范围之内,而另一维方向尺寸较大,甚至是宏观量的纳米材料。通常把纵横比(长度与直径之比)小的称为纳米棒,把纵横比大的称为纳米丝、纳米线或纳米纤维。


目前关于一维纳米材料的制备方法主要有模板法、气一固生长代(VS)法、溶液一液相一固相(SLS)法、激光烧蚀法、蒸发冷凝法等。所涉及的材料主要有:Al2O3,TiO2,ZrO2,MgO,MnO2,Cu2O,SiC,TiC,AlN,Si3N4,GaN等。


静电纺丝工作原理介绍


近年来,静电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法,引起了人们的广泛关注。


静电纺丝(也称电纺丝)工作原理:在静电纺丝过程中,喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下,受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴。在电场诱导下,液滴表面聚集电荷,受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时,喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状,形成所谓的泰勒锥(Taylor cone)。而当电场强度增加至一个临界值时,电场力就会克服液体的表面张力,喷射流从泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳定,产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中,喷射流被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,最终形成直径在纳米级的纤维,并以随机的方式散落在收集装置上,形成无纺布。




广大科技工作者对静电纺丝技术制备纳米纤维的纺丝过程、工艺参数、纤维结构特征、形态控制及用途等进行了大量研究。静电纺丝技术不仅成功的应用于医药领域,而且正在新型光、电、磁材料等领域发展,而且对其做出了巨大的贡献。但静电纺丝进行大规模纳米纤维生产还存在一定的困难,这主要是纺丝速度慢、产量低。同时单根连续纤维和直径过小的纳米纤维无法获得;静电纺丝过程中溶液性质同Taylor锥形成稳定性关系尚不清晰,这些问题都需要进一步研究。


陶瓷纳米纤维用于锂离子电池


近年来,锂离子电池发展迅速,研究者们对其做了大量研究。那么将陶瓷纳米纤维用于锂离子电池又会有怎样的作用呢?上海科技大学助理教授刘巍和斯坦福大学材料科学与工程学院教授崔屹等合作研究发现,将陶瓷纳米纤维掺入固体聚合物电解质是提高其电导率的有效方法。纳米纤维的表面是锂离子快速传导的通道,表面导电率可以和液体电解质相媲美。同随机分散排列的纳米纤维相比,有序排列的纳米纤维可以进一步将固体聚合物电解质电导率提高10倍。原因在于,取向排列的纳米纤维避免了无规则纳米纤维交叉产生的结点,从而锂离子可以无阻碍的在两个电极之间传导。此外,掺入陶瓷纳米纤维后,固体聚合物的化学稳定性也获得大幅提高。


2019年8月27-28日由中国粉体网举办的“2019第二届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”上,清华大学教授潘伟将做《电纺丝陶瓷纳米纤维技术及应用》的报告,届时将会有更多关于电纺丝技术制备陶瓷纳米纤维的讲解,期待您的到来!




专家简介


潘伟,博士生导师,教育部科技委员会委员,中国硅酸盐学会理事,中国硅酸盐学会特种陶瓷分会副理事长兼秘书长,中国复合材料学会理事,国家建材局科技教育委员会委员,全国工商联技术发展委员会委员,日本陶瓷协会学术论文志《Journal of The Ceramic Society of Japan》,《硅酸盐通报》,《复合材料学报》,《现代技术陶瓷》,《过程工程学报》,《Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition》等杂志编委。担任过第六至第十九届全国特种陶瓷学术年会秘书长、组委会主席,第一至第九届中国国际高性能陶瓷材料学术会议组委会主席,第7届国际梯度功能材料学术会议主席,第五届国际陶瓷大会组委会主席。2016年当选为世界陶瓷科学院院士。到目前为止已发表100余篇论文,并申请了10项专利。


参考来源:

李俊寿.陶瓷纳米纤维的研究动态

李程.电纺技术在纳米纤维材料制备中的应用

科技日报.陶瓷纳米纤维:铺就锂离子电池传导高速路


(中国粉体网编辑整理/墨玉)

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