吉林建筑大学材料科学与工程学院 长春市 130118
摘要：静电纺丝技术是一种有效的制备纳米纤维技术。本文综述了静电纺丝技术原理、影响因素，以及在聚电解质膜中的应用情况。此研究为开展纳米纤维在燃料电池隔膜领域的应用做好前期的铺垫工作。
关键词：静电纺丝，纳米纤维，聚电解质膜
引言
1934年，Formhals[1]首先提出利用高压场静电纺丝，但并没有得到广泛研究。直到20世纪80年代，纳米科技的飞速发展，利用静电纺丝制备纳米尺寸纤维的技术才引起人们的浓厚兴趣和广泛关注。
静电纺丝技术（electrospinning technique，EST）是指聚合物溶液/熔体在高压静电场力作用下发生喷射拉伸，经溶剂挥发固化，得到纤维状材料的一种方法。该技术具有成本低、设备简单、操作简易、高效等优点，是目前能够连续直接制备纳米纤维的唯一有效方法。迄今为止，各国研究人员已经对静电纺丝的原理、技术、设备、工艺、应用等各个方面进行了大量的研究工作。静电纺丝技术已经在服装材料、过滤材料、生物医用材料等方面得到广泛应用[2]。
1 静电纺丝技术制备纳米纤维的影响因素
静电纺丝的工艺和设备比较简单，主要包括高压电源、液体供给装置（包括注射器、注射泵等）和纤维收集装置。如果带电液体具有足够的粘度，在对溶液施加高压静电力的过程中，随着电场力的增大，电压超过临界值，液体表面的电荷斥力克服其表面张力，就会在喷头末端形成的泰勒锥表面高速喷出聚合物射流，在收集板上得到聚合物的纤维[3]。
静电纺丝技术原料来源广泛。EST可以将聚氨酯（PU）、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇（PVA）、聚苯胺、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮和聚乳酸等几十种聚合物，纺制出直径范围从小于 3nm到超过1μm的微/纳米纤维，并通过收集得到纳米纤维毡。另外，人们发现溶胶-凝胶法配制成的溶液作为前驱体也能很好地满足静电纺丝所要求的粘度，因而对无机物如TiO2、SiO2、Al2O3以及PbZrxTi1-xO3等也可进行电纺丝[4，5]。
影响静电纺丝技术的因素很多，它们包括：溶液性质，如粘度、弹性、导电性和表面张力；操作条件，包括电场强度、固化距离、溶液供给速度等；环境条件，如温度、湿度、空气流速等。
2 静电纺丝技术在聚电解质膜中的应用
燃料电池作为一种清洁高效的发电技术，在新能源汽车、便携式小型电源和家庭用热电联供系统等领域有着广阔的应用前景。聚电解质膜是燃料电池的核心部件，不但起着隔离燃料和氧化剂的作用，而且起着隔绝电子、传递离子的功能[6]。
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静电纺丝法制备的纳米纤维毡具有如下特点：纤维直径小、比表面积大，孔隙率高、孔与孔之间能相互连接形成三维网状结构，纳米纤维毡具有良好的机械强度、并且质量轻。这些特性使其在离子传导性材料等方面有巨大的应用潜力。
Choi 等[7]分别将不同量 Nafion 溶液植入电纺多孔聚偏氟乙烯（PVDF）膜中制成复合膜。实验测得，当加入0.4g Nafion溶液时，复合膜的甲醇渗透率低于 Nafion 115膜。此复合膜的机械性能得到了改善，但由于引入的纤维是非离子型而导致了质子电导率降低。Dong等[8]制备了直径为 400 nm的高纯度Nafion纳米纤维在30℃和90% RH下，质子传导率达1.5 S cm-1，比商品Nafion膜高10多倍。若能以Nafion 纳米纤维束为骨架，填充惰性高分子聚合物制备Nafion纳米纤维复合膜，超低的甲醇渗透是可以预见的。不过由于Nafion纳米纤维的质子传导率随直径增加而迅速下降，5μm的Nafion纳米纤维的质子传导率仅与商品Nafion膜相当，如何保持Nafion纳米纤维复合膜的高质子传导率仍需要进一步研究。
Kawakami等[9]利用静电纺丝制备了定向排列的磺化聚酰亚胺（SPI）纳米纤维，并通过溶液浇铸法制成了SPI纳米纤维/PI复合膜。发现在静电纺丝的过程中，疏水部分和亲水部分也许会分别占据纤维的空气表面和高分子内部，在纤维内部的磺酸基团网络形成了质子传输通道，从而加速质子传导。含有有序纳米纤维的复合膜与单一膜相比，氧稳定性和水稳定性显著改善，气体透过率降低，质子传导性在纤维轴向显著提高，但垂直方向导电性并不理想。
与质子交换膜相比，静电纺丝技术运用于阴离子交换膜中的报道却很少。Pintauro等[10]报道了一个特殊的被交联纳米纤维增强的阴离子交换膜。提高了质子传导性和机械强度。氯甲基化聚醚砜（CMPSF）和惰性的聚苯砜（PPSU）同时被电纺成双纤维毡。此毡进一步被脂肪族二胺处理，CMPSF纤维上的氯甲基团会与脂肪族二胺发生交联反应。然后，CMPSF/PPSU纤维毡经压制、溶剂熏蒸、季铵化三步处理。经溶剂熏蒸，柔软的PPSU流动和填充到了CMPSF纳米纤维的孔隙，获得了致密的膜材料。此膜有非常高的离子交换容量（3.1 mmol/g），但是由于交联使其不能溶解于水。膜带有非常高的氢氧根离子传导能力及适度的水溶涨性。包含65%纤维的复合膜在23℃水中，OH-传导率可达65 mS/cm，断裂强度为14 MPa，水溶胀达144%。
3结论
静电纺丝作为一种重要的工业技术在储能领域具有广阔的应用前景。但是，纳米纤维增强燃料电池聚电解质膜作为一种新型材料体系，目前还处于初级阶段，仍需研究和探索新的添加物及不同的膜复合方式和后期处理工艺，使复合膜的综合性能得到较大的提升。
参考文献
[1]Fomhals A.US Patent[P]：1975，1934：504.
[2]Chigome S，Torto N.Analytica Chimica Acta，2011，706（1）：25-36.
[3]Lu X F，Zhang W J，Wang C，et al.Prog.Polym.Sci.，2011，36（5）：671.
[4]Larsen G，Velarde-Ortiz R，Minchow K.J Am Chem Soc，2003，125：1154.
[5]Wang Y，Furlan R，Ramos I，et al.Appl Phys A，2004，78：1043.
[6]Rikukawa M，Sanui K.Progress in Polymer Science，2000，25（10）：1463.
[7]Choi S W，Fu Y Z，Ahn Y R，Jo S M，Manthiram A.J.Power Sources，2008，180，167.
[8]Dong B，Gwee L，Salas-de la Cruz D，et al.Nano Lett，2010，10（9）：3785.
[9]Tamura T，Kawakami H.Nano Lett，2010，10（4）：1324.
[10]Park A M，Turley F E，Wycisk R J，and Pintauro P N.Macromolecules，2014，47（1）：227.
吉林省大学生创新项目资助（项目编号2017S1014）
第一作者：韩斌，1996年出生，吉林建筑大学材料学院
论文作者:韩斌,朱启超,高季明,汪丽梅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/17
标签：纺丝论文; 纤维论文; 纳米论文; 静电论文; 质子论文; 溶液论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第34期论文;