扫描电镜在静电纺丝技术中应用

       纳米科技是未来重要前沿科技之一，对该领域的探索应用极大地丰富了人们对世界的认知，并给人们的生活带来变革。近年来纳米材料在相关领域表现突出，制备纳米材料的方法越来越丰富，静电纺丝技术是制备纳米纤维有效的方法，已经成为研究热点。

    静电纺丝法具有操作简单、工艺可控及可纺物质多等优点，图1为静电纺丝装置的结构示意图，主要由三部分组成：高压电源、带有金属针的注射器和收集器（通常是金属滤网或旋转心轴）。当在收集器和喷丝头之间施加高压时，由于聚合物溶液的液滴带电，在粘性力、表面张力和静电力的协同作用下，一旦静电力克服了液滴的表面张力，锥形液滴（称为泰勒锥）将从针尖旋转出来，并在静电力的帮助下拉伸。在喷射过程中，聚合物溶液的溶剂蒸发，形成连续的固体纳米纤维，富集在收集器上。静电纺丝获得的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高等优点，因此，在化工和电子、能源材料、生物医学以及无机材料等诸多领域越来越显示出应用潜力。

图1 静电纺丝设备示意图

      静电纺丝法制备锂电负极材料：ZnS 具有高达962 mAh g-1 的储锂理论比容量，被认为是新型LIBs 负极材料的理想候选。但其在嵌锂/脱锂过程中体积和结构的巨大变化及较弱的导电性极大地阻碍了ZnS 材料的实际应用。官鸣宇提出了采用静电纺丝法制备硫化锌/炭纤维材料（ZnS/CFs），并通过构造多孔结构和与FeS 复合的方法，优化ZnS/CFs的LIBs 储锂性能，获得了系列具有良好储锂性能的ZnS/CFs 基复合材料，如下图3。

图2  ZnS/CFs 合成路线示意图

图3-CFs 和ZnS/CFs SEM 图（a）CFs；（b）ZnS/CFs-1；（c）ZnS/CFs-1.5；（d）ZnS/CFs-2。图中ZnS/CFs-1、ZnS/CFs-1.5 和ZnS/CFs-2 中的ZnS 含量分别约为31.98%、39.81%和45.66%。

      静电纺丝技术制备固态聚合物电解质（ASPEs）研究：在ASPEs 锂电池中，聚合物基体中无定形区域的含量是影响Li+迁移数的直接因素，增加聚合物的无定形区域是电池实现理想性能的主要挑战之一。研究表明，静电纺丝纤维结构作为无溶剂电解质在锂离子电池的应用中具有巨大潜力。在静电纺丝过程中，聚合物射流的比表面积比较大，溶剂快速蒸发，导致聚合物和锂盐难以形成结晶区域。此外，静电纺丝纤维结构中细小空隙的存在有利于Li+的迁移，从而提高SPEs 的离子电导率。

图4  LATP/PAN/PEO/LiTFSI CSEs 制备过程示意图

    静电纺丝技术制备药物速溶纤维膜：难溶性药物在水中溶解度小，难以被机体吸收，体内消除速度较快，血药浓度容易出现峰谷现象，口服制剂生物利用度低，且难以实现剂型的多样化。通过静电纺丝技术制备的纤维膜具有明显改善药物溶解度的效果。杨燕等人的专利中获得的药物纤维膜由直径为0 .2-50μm的药物纤维堆积而成，为网状或层状多孔结构，比表面积大，可极大提高难溶性药物的溶出速度。且速释纤维膜由纯药物组成，无需添加任何载体和辅料，就能达到成型和速释效果，简化了处方，大大提高了载药量。

图5  哚美辛纤维膜的显微外观

    静电纺丝纳米纤维应用领域不同，导致对其孔隙、排列取向和直径分布要求都不相同。纳米纤维的形态、结构和性能不仅取决于聚合物前驱体溶液的性质，如分子量、粘度、电导率和表面张力，而且还取决于集电极的形状和静电纺丝的参数，如电压、流速、针头与收集滚筒之间的距离等。所以，静电纺丝参数对收集的纳米纤维的形貌有很大影响，可以根据实际需要通过控制静电纺丝影响参数，从而调控纳米纤维的形貌。

    扫描电镜作为观察样品微观形貌的主要方法之一，具有高景深、高倍率、样品制备容易等多个特点。但对于堆积较厚且不均匀的静电纺丝样品而言，不易得到清晰高倍的无损图像。赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2兼具高质量成像和多功能分析性能于一体，采用双引擎技术，超低电压下可直接分析不导电样品，且无需做任何喷镀处理。如下图6所示，直接将静电纺丝样品置于Apreo 2电镜中，在500V低电压下轻松成像，样品无荷电且无损伤。并且凭借快捷的FLASH功能，设备可自动执行精细调节动作，只需移动几次鼠标，就可完成必要的合轴对中、消像散和图像聚焦校正，即使电镜初学者也能充分发挥Apreo 2的性能。

图6 Apreo2低电压下获得的静电纺微观形貌

参考资料：

1. 朱彩红等. 静电纺丝纳米纤维的制备研究.

2. 官鸣宇. 电纺丝法制备金属硫化物/炭纤维复合材料及其储锂性能研究.

3. 曹 倩. 聚合物固态电解质的静电纺丝制备与表征.

4. 杨燕等. 一种纯药物速溶纤维膜及其制备方法.

5. Li Dan, Chen Long, Wang Tianshi, et al. 3D fiber-network-reinforced bicontinuouscomposite solid electrolyte for dendrite-free lithium metal batteries[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(8):7069-7078.