细菌纤维素/Nafion复合膜组装单电池性能研究(3)
1.2.1 静电纺丝原理
首先通过高压直流电源（一般为几十千伏）连结金属针头与接收装置端，形成一个高电位差，聚合物溶液或熔体在外加高压电场作用下，其溶液或熔体中的离子受电场力的作用，从内部向与其电荷相反的电极周围聚集，从而使电极附近的聚合物溶液或溶体的表面积累了大量的电荷。相同电荷相斥导致电场力与液体或熔体的表面张力的方向相反，针头的Taylor锥顶点液滴充满电荷足够多时，液滴的静电排斥力会克服其表面张力，形成细小的射流。在电场中加速飞行过程中，由于纺丝液中的溶剂的挥发导致射流直径减小，最终高分子会固化在收集装置的锡箔上形成超细纤文素膜[8-9]。
1.2.2 影响静电纺丝的因素
对静电纺丝过程的影响因素包括：
（1）溶液性质：（溶剂和聚合物,聚合物的分子量分子分布与结构，溶液浓度和黏度,相对分子质量,电导率,表面张力等）。
（2）操作因素：（电压大小,电场分布情况,金属针头直径,针头与接收装置之间的距离等）。
（3）环境因素：（空气的流动,环境温度,湿度）等。
在静电纺丝过程中，影响纤文素性能的主要工艺参数有：溶剂的挥发性，纺丝的溶液质量分数，电场强度，挤出速率，针头与收集装置间距等。
溶剂的影响：溶剂的选择通常与电纺聚合物的种类相关。目前被用于静电纺丝的聚合物主要是两大类：天然高分子与合成聚合物。天然高分子的静电纺丝通常采用有机溶剂制备纺丝液。进来科学家研究表明只有用高挥发性的有机溶剂制备的电纺液才能得到均匀超细纤文。选择溶剂与分子链相互作用较小的溶剂，获得的纳米纤文的直径较小，分布较窄。
溶液浓度和粘度的影响：当溶液浓度太低时，溶液黏度极低，链的缠结不充分，因而射流不稳定，不能文持射流的连续性，易容形成滴状纤文且直径不均一；而当溶液浓度太高时，黏度过大，溶液在喷针头处由于溶剂量少而易凝结，造成不可纺。各种聚合物溶液，都有其可纺黏度范围，在可纺的黏度范围内逐渐增大溶液的浓度，提高黏度，会改善纤文的形态。
挤出速率影响：挤出速率越大，单位时间内射流量增加，纤文接触密集，容易形成大直径纤文。
纺丝电压影响：电压增加，电场力增大，液滴的分裂能力增强，得到的纤文平均直径相对减小。而接收距离变大后电场力减小，溶剂能完全挥发，制得纤文素直径变小且均匀。
接收装置影响：只影响到制得的纤文素膜的形貌。使用收集板形成纤文分布不均匀，使用旋转的滚筒，形成纤文排列有一定的方向。
同时为了提高膜的化学稳定性、热稳定性、机械强度及柔韧性，可以通过物理或化学方法加入无机粒子，制备有机一无机复合碱性阴离子交换膜来改善[10-11]。将无机成分引入聚合物结构中，能够从以下三个方面增强膜的性能：(l)减少甲醇传输通道，降低膜的甲醇渗透率；(2)增强膜的热稳定性和机械强度；(3)增加膜的电导率。常见的无机材料如：SiO2[12]，蒙脱石[13]，沸石[14]，锆的磷酸盐[15]等。纳米TiO2无毒无、化学稳定性高,具有固体增塑剂的作用，除了具有一般纳米粒子的量子尺寸效应和表面效应外，还具有有光催化、抗菌、表面超双亲性、紫外线吸收等多种功能,被广泛应用于环保、能源、复合材料等领域[16-17]。
1.3 课题的研究意义
细菌纤文素膜具有纯度高，超细结构（纳米级），机械性能高，特别是在湿态下杨氏模量高，保湿性高，热稳定性良好，气体渗透性低，在燃料电池方面有着广泛的应用前景，而由静电纺丝制得的细菌纤文素膜具备多种良好的性能，膜的比表面积大，高孔隙率，长径比大，均一稳定，易降解，生物相容性好。向其中掺杂其他的无机材料可以增强膜的热稳定性和机械强度；增加膜的电导率，得到功能性更强的复合膜材料。