Матвеев А.Т., Афанасов И.М. - Получение нановолокон методом электроформирования (1040990), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Преимуществамиподобных материалов являются высокая термохемостойкость получаемых углеродныхматериалов, возможность поддержания за счет капиллярного давления постоянстваграниц межфазного контакта между газообразным топливом и электролитом (дляпористых электродов) и сочетание функций проточного электрода и гидрозольногофильтра (аккумуляторы).4.6. СенсорыСенсоры преобразуют изменение химического или физического параметра вэлектрический сигнал. ЭФ-волокна, благодаря высокому отношению поверхности к 75 объему, могут применяться для изготовления миниатюрных газовых, химических,оптических и биологических сенсоров.ГазовыесенсорынаосновеЭФ-нановолоконактивноиспользуются длямониторинга угарного газа, диоксида азота, аммиака. В последнем случае могут бытьреализованы различные принципы работы сенсоров.
Весовой принцип заложен в основудействия устройств, состоящих из микровесов, покрытых нановолокнами, содержащимина поверхности карбоксильные группы. Подобные ЭФ-нановолокна, например изполиакриловой кислоты, реагируют с аммиаком, а изменение массы нановолоконфиксируется микровесами; чувствительность таких сенсоров достигает 50 ppm [36].Другой принцип работы аммиачных сенсоров – изменение электропроводности либонепосредственноЭФ-нановолокон(используютсяпроводящиенановолокнаизполианилина, полианилина и полиэтиленоксида), либо наночастиц оксидов металлов наполимерныхволокнах[37].Первыехарактеризуютсячрезвычайновысокойчувствительностью – 0,5 ppm, вторые – быстрым откликом, однако заметный откликнаблюдается с концентраций аммиака в 100 ppm.Оптические сенсоры реагируют на снижение интенсивности флуоресцентногосигнала в присутствии некоторых веществ.
Однако для такого применения нановолокнадолжны содержать чувствительные фотохимические группы, например, пирен (рис. 4.10).С помощью таких волокон можно обнаружить динитротолуол и ионы ртути в воде.Рис. 4.10. Химическая структура полимера, используемого для изготовления оптическихсенсоров (а) и изменение флуоресцентного сигнала в присутствии динитротолуола (б) [4] 76 Биосенсоры реагируют на изменение концентрации того или иного вещества вчеловеческом теле. ЭФ-нановолокна из поливинилпироллидона, содержащие ферментуреазу, используются для мониторинга заболеваний печени и почек [38].
Действиесенсоров основано на биохимической реакции гидролиза мочевины в присутствии уреазы(24). Такие сенсоры позволяют детектировать концентрацию мочевины 0,5 мМ.уреаза(24) CO ( NH 2 ) 2 + H 2 O ⎯⎯ ⎯⎯→ CO 2 + 2 NH 3Проводящие сенсоры из ЭФ-нановолокон из нейлона, содержащих наночастицызолота (рис. 4.11), нашли применение в диагностике концентрации глюкозы в крови. Вприсутствии фермента оксидазы глюкозы, химически связываемой с нановолокнами,происходит окисление глюкозы (25), и детектируется изменение электропроводности засчет разложения перекиси водорода (26). Концентрационные пределы обнаруженияглюкозы 1мкМ-1 М.оксидаза(25) С 6 H12 O 6 + O 2 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ С 6 H12 O 7 + H 2 O 2_(26) H 2 O 2 ⎯⎯→ 2 e + 2 H + + O 2Рис.
4.11. Микроструктура сенсора, применяемого для обнаружения глюкозы [4].4.7. Другие освоенные и перспективные сферы примененияБлагодаря хорошим звукопоглощающим свойствам и сильной электростатическойадгезии к посторонним предметам ЭФ-продукция нашла применение в качествеэффективного средства индивидуальной защиты органов слуха от шума «беруши» из 77 смеси слабо проклеенных перхлорвиниловых волокон диаметром 0,5 и 6 мкм, первые изкоторых обеспечивают необходимое звукопоглощение, а вторые - достаточные механическую прочность упругость.Для обеспечениянужд военных на основе ЭФ-волокон разрабатываетсяспециальная одежда, которая должна снизить риск поражения нервнопаралитическимигазами: зарином, ипритом, зоманом, - и другими отравляющими веществами.
Применениеодежды из ЭФ-волокон в комбинации с используемыми сегодня материалами на основеактивированного угля позволит 1) значительно снизить вес одежды, 2) обеспечитьнормальный воздухо- и влагообмен, 3) обеспечить защиту от вирусов [4,21].ВнастоящеевремяосновеЭФ-волоконтакжеразрабатываютсяжидкокристаллические, фотогальванические устройства, катализаторы, уплотнительныематериалы, а также на основе керамических ЭФ-волокон – конструкционныекерамические материалы. 78 5.
Контрольные вопросы1. Как влияет диаметр волокон на их прочность?2. В чем суть размерного эффекта для полимерных нановолокон?3. В чем состоит суть метода электроформования (ЭФ) полимеров?4. Какие основные варьируемые параметры процесса ЭФ?5. Что нужно изменить, если вместо режима ЭФ волокон наблюдаетсяэлектрораспыление раствора?6. Как влияет электропроводность раствора на режим ЭФ?7.
Какие существуют типы неустойчивости струи в процессе ЭФ?8. Какие основные параметры процесса ЭФ, влияющие на диаметр волокон?9. Как влияет величина электрического напряжения на диаметр волокон?10. Как влияет вязкость формовочного раствора на диаметр волокон?11. Как влияет концентрация полимера на диаметр волокон?12.
Как влияет молекулярная масса полимера на диаметр волокон?13. Как влияет расход формовочного раствора на диаметр волокон?14. Какой из параметров наиболее сильно влияет на диаметр волокон?15. Какие параметры процесса ЭФ, и в каком направлении, нужно изменять, чтобыполучить наиболее тонкие волокна?16. Какова роль газового обдува капилляра при формовании волокон?17. Какова роль расстояния между капилляром и осадительным электродом?18. Какие типы дефектов присущи волокнам, полученным методом ЭФ? Назовите ихпричины.19. Какие параметры влияют на морфологию волокон?20. Недостатки, присущие методу ЭФ волокон?21.
Какие методы электроформования 2D ориентированных волокнистых материалов Вызнаете?22. Какие методы получения жгутов методом ЭФ Вы знаете? Какие макрохарактеристикиЭФ-продукции можно выделить?23. Как влияют параметры ЭФ-процесса на кристаллическое состояние ЭФ-волокон?24. Какие отличия могут наблюдаться в молекулярной структуре ЭФ-нановолокон ипленок из таких же полимеров? 79 25. Как влияют условия ЭФ-процесса и свойства прядильного раствора на механическиехарактеристики ЭФ-материалов?26. Назовите освоенные и перспективные сферы применения ЭФ-материалов.27. Какие специфические свойства ЭФ-продукции выгодно отличают ее от другихволокнистых материалов?28.
Почему ЭФ-материалы находят широкое применение в фильтрации?29. Какие методы получения жгутов методом ЭФ Вы знаете?30. Для чего применяют клеточные субстраты? Как с помощью ЭФ-процесса создать«идеальный» клеточный субстрат? Предложите варианты.31. Каковы преимущества использования ЭФ-материалов для получения композиционныхматериалов?32.
Какие свойства ЭФ-продукции позволяют использовать ее а) для доставки лекарств? б)в качестве сепараторов в батарейках?33. Что представляют собой аффинные мембраны? 80 6. Литература1. Gu SY, Wu QL, Ren J, Vancso GJ. Mechanical Properties of a Single Electrospun Fiberand Its Structures. //Macromol. Rapid. Commun, 2005, 26:716–720.2. Qi HJ, Teo KBK, Lau KKS, Boyce MC, Milne WI, Robertson J, Gleason KK.Determination of mechanical properties of carbon nanotubes and vertically alignedcarbon nanotube forests using nanoindentation.
// Journal of the Mechanics and Physicsof Solids, 2003, 51:2213 – 2237.3. Rao CNR., Deepak FL., Gautam Gundiah, A. Govindaraj. Inorganic nanowires. //Progress in Solid State Chemistry, 2003, 31:5–147.4. Ramakrishna S, Fujihara K, Teo ЦУ, Lim ЕС, Zuwei M. An Introduction toElectrospinning and Nanofibers. Singapoor, 2005, World Scientific Publishing Co.
Pte.Ltd., 382 р. 5. www.elmarco.com6. Патенты США N692631 (1902), N705691 (1902).7. Патент США N1975504 (1930).8. Патент США N2048651 (1936).9. Филатов ЮН. Электроформование волокнистых материалов (ЭФВ-процесс). // Подредакцией В.Н. Кириченко. - М.: ГНЦ РФ НИФХИ им.Л.Я. Карпова, 1997.10. Шутов АА. Формирование и зарядка струй, капель и пленок слабопроводящихжидкостей в электрическом поле. Диссертация. Москва, 2008.11. Friedlander SК.
Journ. Coll. Int. Sci. 23 (1967) 157.12. Кириченко ВН, Петрянов ИВ, Супрун НН, Шутов АА. Асимптотический радиусслабопроводящей жидкой струи в электрическом поле. // ДАН СССР, 1986,289:817-820.13. Шутов АА. Форма несжимаемой слабопроводящей струи в сильном электрическомполе. //ПМТФ, 1991, 2:20-25.14. Spivak AF and Dzenis YA. Asymptotic decay of radius of a weakly conductive viscousjet in an external electric field.
// Appl. Phys. Lett., 1998, 73:3067-3069.15. Алонцева НМ, Бережной ВМ, Шутов АА. Зарядка капель и волокон вэлектрическом поле при струйном диспергировании жидкостей. // Коллоидныйжурн., 1995, 57:629-632. 81 16. Шутов АА. Формование волокнистыхэлектропрядения. // ЖТФ, 2006, 76:133-136.фильтрующихмембранметодом17. Burger C, Hsiao BS, Chu B. Nanofibrous materials and their applications. // Annu.
Rev.Mater. Res., 2006, 36:336-368.18. Teo WE., Ramakrishna S. A review on electrospinning design and nanofibre assemblies.// Nanotechnology, 2006, 17:89–106.19. Sigmund W, Yuh J, Park H, Maneeratana V, Pyrgiotakis G, Daga A, et al. Processing andStructure Relationships in Electrospinning of Ceramic Fiber Systems. // J. Am. Ceram.Soc., 2006, 89:395–407.20. Lee KH, KimHY, Ra YM, Lee DR. Characterization of nanostructured poly(caprolactone) nonwoven mats via electrospinning. // Polymer, 2003, 44:1287-1294.21.
Frenot A, Chronakis IS. Polymer nanofibers assembled by electrospinning. // CurrentOpinion in Colloid and Interface Sci, 2003, 8:64-75.22. Dalton PD, Grafahrend D, Klinkhammer K, Klee D, Moller M. Electrospinning ofpolymer melts: Phenomenological observations. // Polymer, 2007, 48:6823-6833.23. Huang ZM, Zhang YZ, Kotaki M, Ramakrishna S. A rewiev on nanofibers byelectrospinning and their applications in nanocomposites.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
