廖英志、吳奕鋒、陳彥齊、吳家秀、邱鈺絜/臺灣大學化學工程學系；朱育麟、黃泳彬/工研院材化所
靜電紡絲是一種製造奈米纖維薄膜的高分子加工方法，但若紡絲溶液中含有粉體聚集，會有影響正常噴絲可能性，所以紡絲溶液需具備穩定分散的能力。本文探討奈米化墨水分散技術應用於聚氨酯（PU）靜電紡絲織物之開發，著重於奈米粒子分散技術，製作粒子分散粒徑≤ 300nm的紡絲溶液，並且提高紡絲溶液的固含量，進一步與PU混合形成穩定分散且色澤飽滿的紡絲溶液。最終紡絲溶液結合靜電紡絲技術，開發功能性奈米纖維，使織物具備高遮光性，能以輕薄的尺寸取代原先厚重織物。
前言
近年來隨著科技蓬勃發展，奈米材料的領域受到相當多的重視，然而，由於奈米材料其尺度極小，粒子間會由於彼此的凡德瓦力（Van Der Waal Force）過大而產生團聚的現象，這一團聚的現象也造成奈米材料在量產上具有難度。因此，如何減少奈米粒子間的團聚現象，就成為了應用奈米材料所需面對最重要的課題。針對如何製作出穩定、粒徑小且分散良好的奈米粒子墨水應用於靜電紡絲即為本文章重點。
靜電紡絲（Electrospinning）是一種利用靜電場產生奈米級纖維的製程，由於其具有生產奈米纖維的潛力，透過施加高直流電壓來產生靜電場，同時通過注射泵迫使靜電紡絲的高分子聚合物溶液或熔融液通過噴嘴形成懸垂液滴（Pendant Drop），其機制如圖一所示。透過電壓來調控靜電力大小，與靜電力、表面張力共同決定液滴的形狀，當靜電力和表面張力之間達到平衡時，就會形成泰勒錐（Taylor Cone），如圖二所示。此時的Vc（電壓臨界值）可以下列式子描述：
其中，"γ" 為表面張力，H為兩極距離，"ϵ" 為介電常數，r為半月形液滴半徑。為了從泰勒錐產生穩定的噴射流，須使電壓超過臨界值，且精確控制聚合物溶液黏度和表面張力，避免泰勒錐曲張破裂，便可在適當距離外的收集板上，得到奈米纖維。而噴出的纖維之直徑則是主要由黏度所控制，黏度高會使絲的直徑變粗，液體也不容易斷裂或形成空隙；然而若黏度過低，則噴射流容易斷裂造成噴濺。
圖二、泰勒錐示意圖
圖三、顏料分散過程
靜電紡絲技術之聚合物纖維可由數微米至奈米等級，其纖維具有孔洞小與高表面積的性質，可以被應用於：過濾器之細纖維、複合材料中用作增強組件之纖維氈、生物醫學應用或用於製備功能性奈米管之纖維模板。本文使用碳黑（CB）與二氧化鈦（TiO2）作為奈米顆粒，並以DMAc作為分散媒與PU混合，再加入適當之分散劑，製作出黑色與白色墨水，以靜電紡絲技術製成功能性奈米纖維織物。為了確保靜電紡絲之纖維色澤飽和度，需提升固含量至10 wt%以上，含PU的墨水黏度需介於500-2000 cp之間，且平均粒徑小於200nm。但隨著固含量提升，奈米粒子更容易沉澱或匯聚，不利於靜電紡絲製程。因此，靜電紡絲使用之粒子分散液需在高固含量下具備長時間穩定分散能力。
粒子分散於溶劑的過程包括三個步驟：潤濕、分散與穩定階段。首先，濕潤是粒子從氣固介面變為液固介面的過程，濕潤的快慢會受到介面表面張力所影響；第二步驟是研磨，需透過機械力給予能量或是剪切力來拆散較大的粒子團，最佳情況是能夠散成原始粒子；第三步驟則是要保持散開的粒子穩定而不絮凝，多是靠著立體障礙或是具電荷基團排斥來達成。一般來說，分散劑具有第一和第三步驟的功能，其具有親溶劑端與親粒子端，而親粒子端又稱作錨定基團（Anchoring Group），體積較為龐大，吸附於粒子表面後可以大幅增加立體障礙或提供表面電荷而增加顏料的穩定性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。