电纺自组装制备蜂窝状聚合物多孔材料的研究

摘要

自组装现象是一些组成单元自发的组成规则结构的现象。只要满足条件，无论是分子级别的组成单元还是大尺寸的组成单元，都会发生自组装现象。电纺技术是一种制备聚合物纳米纤维的新方法，它可制备出直径为纳米级的超细纤维,最小直径可至1nm。电纺法制备聚合物纳米纤维具有设备简单、操作容易以及高效等优点，它是目前能直接、连续制备聚合物纳米纤维的有效方法。本论文研究了一种新型的自组装现象，即处于液态的电纺产物包括液滴和纤维在适当的条件下会发生自组装现象，并由此形成多孔结构。本文的主要内容是电纺电纺过程中产物的自组装，具体内容包括电纺溶液浓度，电纺电压，环境湿度，电纺距离，基底性质，分子链长度及分子结构对自组装的影响。
　　研究发现，电纺溶液浓度，电纺电压，环境湿度，电纺距离，基底性质，分子链长度及分子结构对自组装蜂窝孔的形成都有不同程度的影响。利用分子量为100000浓度范围在8到20％(w/v)的聚氧化乙烯(PEO)水溶液研究了这种蜂巢状多孔结构的形成，通过变化溶液浓度可以实现对其孔壁结构的控制，获得密实或多孔的壁结构。微孔倾向于呈现多边形尤其是六边形，微孔直径的尺寸在15到100μm，组成蜂巢结构的纳米颗粒尺寸范围为200到300nm，组成蜂巢结构的纳米纤维的直径分布为50到100nm。利用分子量为500000浓度范围在6到12%(w/v)的聚氧化乙烯(PEO)水溶液研究了这种蜂巢状多孔结构的形成。微孔倾向于呈现多边形尤其是六边形，微孔直径的尺寸在40到80μm，组成蜂巢结构的纳米颗粒尺寸范围为200到500nm。对于分子量为500000的PEO电纺溶液，空气相对湿度自组装蜂窝孔结构的形成有影响。组成蜂巢结构的纳米纤维的直径分布为50到100nm。研究了分子极性较强的聚丙烯晴（PAN）N,N二二甲基甲酰胺溶液对自组装微观结构形态的影响，结果表明形成的蜂窝状多孔结构的尺寸在70到100μm，组成蜂巢结构的纳米颗粒尺寸范围为200到500nm。我们对湿度对自组装影响的机理进行了研究，认为高湿度会使颗粒上的电荷较快消散，从而失去进行自组装过程中的驱动力。另外研究了衬底的性质对于自组装行为的影响。发现在铝箔表面沉积时一般要先形成一层连续的聚合物薄膜，经过一段时间后才开始自组装过程，而在玻璃表面沉积时自组装过程则在更短的时间内开始。

目录

电纺自组装制备蜂窝状聚合物多孔材料的研究

FABRICATION OF HONEYCOMB POROUS POLYMERIC MATERIALS BY SELF-ASSEMBLY DURING ELECTROSPINNING

摘 要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER 1 INTRODUCTION TO SELF-ASSEMBLY AND ELECTROSPINNING

1.1 Self-assembly Phenomenon

1.1.1 Principles of Molecular Self-Assemblly

1.1.2 Main kinds of molecular self-assembly technology

1.1.3 Self-assembly of mesoscopic and macroscopic components

1.2 Introduction of Electrospinning

1.2.1 The process of the electrospinning

1.2.2 The effects of experimental parameters on the electrospinning process

1.2.3 Factors affecting fiber shape and surface morphology

1.2.4 Electrospinning design and nanofiber assemblies

1.3 Main work

CHAPTER 2 EXPERIMENTAL

2.1 Materials

2.2 Experimental equipments

2.3 Characterization techniques

2.3.1 Scanning electron Microscopy (SEM)

2.3.2 Optical microscopy

CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Effect of concentration of PEO solution

3.2 The effect of applied voltage

3.3 Effect of ambient relative humidity

3.3.1 The effect of content Zn2+ in the PEO solution

3.3.2 The effect of the evaporation rate

3.3.3 Summary

3.4 Effect of source to target distance

3.5 Effect of electrospinning time

3.6 Effect of substrate nature

3.7 Molecular weight and Molecular structure

3.7.1 Effect of concentration of PEO solution

3.7.2 Effect of the applied voltage

3.7.3 Effect of the ambient relative humidity

3.8 Effect of molecular structure

3.9 Summary

CHAPTER 4 CONCLUSION

4.1 Conclusion

4.2 Future work

REFERENCES

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书