基于靜電紡絲法的碳硅復合納米纖維制備研究

鄧麗萍，劉 燁，汪麗莉，王 鑫，劉夢成，胡耀忠，沈修林

（上海工程技術大學 數理與統計學院，上海201620）

1959年12月，諾貝爾獎獲得者Richard Feynman在美國物理學年會上曾說“：只要控制物體在小尺度上的排列，就會出現很多異常的特征，材料的性質也會發生豐富的變化?！逼渲兴傅牟牧暇褪羌{米材料[1]。納米纖維是具有重大作用和影響的納米結構，一些特殊的性質和新的規律被它表現出來，其中特殊的性質和新的規律就包括小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等。充分利用這些效應產生的新功能特性設計的下一代納米纖維結構器件在電子、軍工、信息、光學、化工、生物和醫藥等領域都具有廣闊的應用前景[2]。

在新能源領域研究中，納米纖維也是構成高效能量存儲裝置的優選方案之一。以石墨為主的碳材料是目前得到商業化大規模應用的鋰離子電池負極材料，然而石墨的理論比容量只有370mAh·g-1，不能滿足未來市場上對于高比能電池的需求。作為改進的鋰電池負極材料，碳硅復合納米纖維能夠有效地改進電池容量和效率。首先，硅具有目前最高的理論比容量（4200mAh·g-）1。另外，當硅顆粒尺寸減小至納米級時，一方面，硅的體積膨脹大幅度減少，不會機械地粉碎。另一方面，鋰離子的擴散距離也能一定程度上被納米粒子縮短，從而使得電化學反應速率加快。所以，結構優化的碳硅納米纖維結構高效的制備方法成為研究熱點。

靜電紡絲法是一種利用靜電場力制備一維納米纖維的方法。相較于其他纖維制備方法，其在工藝可控性、適紡范圍、成本、產率以及纖維尺度可控性等方面都具有一定的優勢。靜電紡纖維和傳統的粗纖維相比，直徑可以縮小2～3個數量級。由此，使用靜電紡絲法制備碳硅復合納米纖維得到了研究人員的廣泛關注。由于靜電紡絲在理論以及操作上的基本規律，在制作和準備纖維的過程中，會對纖維的形態和結構造成影響的因素主要有聚合物的性質、工藝參數、環境參數[2-3]。這些因素相互關聯，相互影響，決定了纖維結構的幾何特征。本文在靜電紡絲法制備碳硅復合納米纖維的實驗中，探索了不同實驗條件下（電壓、接收距、注射器推速、噴頭型號）生成的碳硅復合納米纖維的幾何結構。并對不同實驗條件下，生成的碳硅復合納米纖維幾何結構的差異進行了分析。

1 靜電紡絲實驗探究

1.1 試劑與儀器

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：Mw=1300000，阿拉丁試劑;四氫呋喃（PCS）；無水乙醇，阿拉丁試劑。

靜電紡絲機：北京永康樂業科技發展有限公司，ET-2535H；光電天平：北京光學儀器廠；電磁攪拌加熱套：山東華魯電熱設備有限公司。

1.2 樣品制備

用天平稱取所需的1g聚乙烯吡咯烷酮（PVP），然后用量筒量取溶劑8ml無水乙醇倒入錐形瓶中，加入1g聚乙烯吡咯烷酮（PVP），放入磁力攪拌器攪拌40min，得到質量百分數為12.5%的PVP乙醇溶液;同樣，用天平稱取所需的1g四氫呋喃，然后用量筒量取溶劑12ml無水乙醇倒入錐形瓶中，加入1g四氫呋喃，混合后快速用錫紙包住瓶口，放入磁力攪拌器攪拌40min，得到質量分數為8.3%的PCS四氫呋喃溶液；然后將各自攪拌好的PVP乙醇溶液和PCS四氫呋喃溶液混合，放入磁力攪拌器中攪拌12小時，保持溫度38°C、濕度20%RH，經超聲分散得到均勻的紡絲溶液，最后混合成濃度約為11%的紡絲溶液（圖1）。

圖1 均勻的紡絲溶液

1.3 靜電紡絲參數測定與表征

用10mL的注射器吸取適量的紡絲溶液后將注射器固定在高壓靜電紡絲機中，調節至合適的參數，以鋁箔接收紡絲，對濃度相同的紡絲溶液進行靜電紡絲。分別在不同電壓（16kV、22kV和28kV）、不同接收距（15cm、20cm、25cm和30cm）、不同注射器推速（0.05mm/min、0.25mm/min、0.75mm/min、0.5mm/min）、不同噴頭型號（20號、21號、22號）的條件下進行靜電紡絲，將所得的纖維樣品置于真空烘箱中進行干燥，200℃烘干2小時，得到干燥的纖維樣品（圖2）。

圖2 治理地質災害技術流程圖

圖2 部分烘干（左）與未烘干（右）纖維樣品照片

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對表征材料的結構及微觀樣貌進行顯示與觀察，得到在不同條件下進行紡絲的纖維樣本的SEM圖（圖3）。其中第一組是在電壓為22kV，接收距離為15cm，推速為0.5mm/min，噴頭型號為20的條件下進行紡絲的;第二組是在電壓為28kV，接收距離為15cm，推速為0.5mm/min，噴頭型號為20的條件下進行紡絲的;第三組是在電壓為28kV，接收距離為20cm，推速為0.5mm/min，噴頭型號為20的條件下進行紡絲的;第四組是在電壓為28kV，接收距離為15cm，推速為0.25mm/min，噴頭型號為20的條件下進行紡絲的;第五組是在電壓為28kV，接收距離為15cm，推速為0.5mm/min，噴頭型號為22的條件下進行紡絲的。

圖3 不同條件下進行紡絲的纖維樣本的SEM圖

1.4 分析與結果

由以上實驗數據，對第一組和第二組進行對比，在其他條件相同的情況下，隨著電壓的增加，溶液射流表面的電荷的密度就會有所提高，從而增加射流所傳導的電流，使得射流的半徑變小，最終導致纖維的直徑減小。

靜電紡絲過程中，電場強度受到纖維接收距離的直接影響，從而使得射流電場中的電壓等級和飛行時間受到影響。將第二組和第三組進行對比，在相同的條件下，纖維接收距離對纖維直徑具有雙重影響。首先，相對較大的接收距離可以為射流提供足夠的張力時間，而且使得溶液更容易揮發，還能夠使纖維直徑變小。再者，隨著纖維接收距離的增加，射流加速度減小，纖維的拉伸作用被削弱，最終導致纖維直徑變大。因此，纖維直徑的大小取決于這兩種作用之間的相互競爭關系。

將第二組和第四組進行對比，在一定程度上，靜電紡絲過程中的可紡溶液量取決于射流的注射速度，在給定電壓的情況下，在噴頭會形成一個相對穩定的泰勒錐?？刂圃谄渌麠l件相同的情況下，在一定范圍內，射流直徑隨射流速度的增加而有所增加，纖維直徑隨射流速度的增加而增大，且纖維直徑與射流速度呈現顯著的正相關的關系。

噴頭在靜電紡絲的過程中起到產生流體小液滴、為射流形成提供基點的作用。我們將第二組和第五組進行對比，隨著噴頭直徑的增加，噴頭末尾的電場強度會降低。在相同的條件下，噴頭直徑增加之后，射流受靜電場力的拉伸作用減弱，導致纖維直徑增大。

2 結論

使用靜電紡絲技術能夠實現碳硅復合納米纖維的高效制備。在制備過程中，各種制備參數，包括電壓、接收間距、注射器推速以及噴頭型號，都能對碳硅復合納米纖維的結構產生影響。通過系列實驗參數的探索，本工作研究了各種實驗參數對碳硅復合納米纖維幾何結構的影響，并分析其原因。本文的研究結果對高效制備優化結構的碳硅復合納米纖維具有借鑒意義。