靜電紡絲技術簡介

靜電紡絲原理是利用金屬毛細管，內部填滿高分子溶液，並在毛細管外 部施加直流電壓，使原本因推擠而欲滴落的高分子液珠表面佈滿靜電荷，隨 著電壓不斷提升，電荷間的靜電斥力漸漸增加，最後克服液珠表面張力，而 形成噴射流，此噴射流受到周圍極大之電場作用而不斷以不規則之運動甩動 拉長，形成微奈米尺度的高分子纖維。

何謂奈米纖維，取一根人們的頭髮，其直徑約為 100 µm，相當於直徑為 10⁵ nm，如此就能體會奈米尺度的纖細程度。利用靜電紡絲技術所收集到的 奈米纖維，其比表面積相較一般纖維多出至少一萬倍以上，也因為此優異的 比表面積特性，使得奈米纖維已被廣泛應用於觸媒材料、燃料電池、太陽能 電池、壓電感測器、超級電容及空氣過濾等領域；在生物醫學方面，也通常 會利用靜電紡絲製作纖維支架，應用於組織工程上的研究。

因此，近年來靜電紡絲製程的相關主題相當熱門也備受關注，且由於靜 電紡絲製程及設備相對簡易，不論光電、生醫、民生等材料，皆可藉由靜電 紡絲之製程而達到各種應用目的。例如，圖 1-2 為利用靜電紡絲技術製作透 明導電電極，藉由奈米纖維優異的機械與光學性質，為可撓式透明電極開拓 了另一個發展空間【2】；此外，靜電紡絲技術於再生醫學和組織工程領域具 有非常大的應用前景，舉凡需與組織有良好相容性的人工血管、人工皮膚及 人工骨骼等材料，皆可應用電紡絲高分子纖維製作，用於修復上述組織的缺 損，圖 1-3 即為利用靜電紡絲技術所製作的血管支架【3】。靜電紡絲技術近 幾年出現一種製備超疏水表面的特殊用途，原因在於形成超疏水表面需有兩 個條件，包括粗糙的表面及較低的表面能。因此，透過電紡絲所製作的奈米 纖維，將可提供極粗糙的表面，再透過特定高分子材料的選擇，將有機會形 成超疏水薄膜，如圖 1-4 即為兼具疏水及疏油功能之高分子奈米纖維薄膜

【4-5】。

Figure 1-2 Nanofibers in transparent electrode.【2】

Figure 1-3 Nanofibers in tissue engineering.【3】

Figure 1-4 Nanofibers in surface wettability.【4-5】

1.3導電高分子導電高分子簡介導電高分子導電高分子簡介簡介 簡介

『高分子』顧名思義為通過一定形式的聚合反應，生成具有相當大分子 量之物質，而一般常見高分子以有機高分子佔多數。在 21 世紀以前，高分 子因電阻極大，故可視為穩定的絕緣體，可應用於金屬導線外層包覆或電子 零件封裝之絕緣材料等。直到 1974 年，日本白川英樹(Hideki Shirakawa)教 授等人，發現聚乙炔可利用化學及電化學摻雜方式，得到具有氧化(p)及還原 作場效電晶體(Field effect transistor, FET)驅動元件的材料，以及利用特殊共 軛高分子性質，發展出電致發光特性的高分子發光二極體(Polymer light emitting diode, PLED)，而其最重要的產業應用潛力為取代氧化銦錫(Indium tin oxide, ITO)透明導電薄膜，因在觸控面板的材料成本中， ITO 透明導電 OLED)，接著英國劍橋大學在 1990 年研發出現高分子發光二極體(polymer light-emitting diode, PLED)的元件後【6】，OLED 和 PLED 相關之研發與應 用產品即開始蓬勃發展，如圖 1-5 即為利用導電高分子所製作出之 OLED

【7】。近年來導電高分子的發展也延伸至超級電容領域，如圖 1-6 為利用導 電高分子所製作之透明可撓式超級電容【8】。

Figure 1-5 OLED with substrate of conductive polymer for flexible and transparent.【7】

Figure 1-6 Supercapacitor fabricated by transparent and flexible conducting polymer.【8】

1.4導電奈米纖維簡介導電奈米纖維簡介與應用導電奈米纖維簡介導電奈米纖維簡介與應用與應用與應用發展發展發展發展

四大類導電纖維包含金屬導電纖維、碳黑導電纖維、導電高分子型纖 維、金屬化合物型導電纖維，這些導電纖維可以通過與普通纖維混紡而織製 成抗靜電織物或導電織物，也可與普通紗交織製成抗靜電織物或導電織物，

而本研究將著重於一種具有高機能性之導電高分子型纖維製程開發與探討。

奈米導電纖維因具有纖維直徑小，高比表面積及高孔隙率等特點，可應 用於抗微波、靜電消除及抗電磁波干擾等紡織產品，比傳統微米纖維產品更 顯現質輕、薄、機能多元化與經濟效益，因此從電子業、醫藥及精密儀器到 一般紡織品應用非常廣泛。圖 1-7 表示使用導電性纖維鑲嵌至地板【9】，可 將人體身上多餘靜電力排除，而圖 1-8 表示由原本一般紡絲纖維品製作的手 套改變為導電性纖維【10】，如此一來將可戴上手套順暢的使用智慧型手機 又可兼顧保暖性。因此，導電性纖維無論在高科技電子業、航空航太、軍事 領域、醫療保健及民生領域等，都具有廣泛市場和應用前景。臺灣擁有高度 蓬勃發展的電子、通訊、光電及傳統紡織業，若能將此技術做跨領域結合，

將可拓展導電性纖維之應用發展。

Figure 1-7 Floor of conductive fibers for electrostatic discharge.【9】

Figure 1-8 Gloves of conductive fibers for touchscreen.【10】

1.5超級電容簡介與應用發展超級電容簡介與應用發展 超級電容簡介與應用發展超級電容簡介與應用發展

自十八世紀工業革命後，對石油及煤礦等石化能源的依賴與日俱增，經 過日復一日的過度開採，使得石化能源的總量日漸短缺，然而提煉與燃燒的 同時，所產生的空氣污染也直接影響溫室效應的發生與惡化，有鑒於此，全 球各國家皆有共識朝向低碳排放、永續生態且可再生的能源技術發展。風 力、水力、地熱、潮汐、太陽能及生質能等再生能源的技術躍進，也帶動了 環保科技之電動車及混合電動車的誕生。然而天候陰晴不定，太陽無法終日 照耀，大氣運動所產生的風力也無法恆久穩定，如何有效率地將再生能源分 配並加以使用，「儲能系統」在其中即扮演著極為重要的角色，因此帶動了 儲能系統核心技術之超級電容器和電池的市場需求與技術發展。

超級電容器卓越的性能和廣泛的應用空間，使其近年來出現強勢的發 展，市場規模一直在不斷膨脹。圖 1-9 即表示全球超級電容器市場規模，在 2009 年～2013 年一直保持 10% (11.3 億美金)的年增長率上升【11】，然而，

可以預期未來市場將是交通運輸應用(超大型電容>1F)為主要成長指標，在 2015 年超級電容市場可達 7.6 億美元，由此可見，超級電容器擁有龐大的應 用價值和市場潛力。

Figure 1-9 Market forecast of supercapacitor.【11】

有鑒於超級電容器擁有快速充放電、對環境友善、元件壽命長等優點，

相當有機會成為本世紀新型重點的綠色能源，其應用相當廣泛，如圖 1-10 所示，在能源供應、行動通訊、車輛運輸、科技研究、國防軍事、海洋運輸、

航天太空等各個領域，都擁有著相當大的應用潛力，因此超級電容的發展，

將帶來新一波儲能系統市場衝擊。

目前投入超級電容器研究開發的國家，主要有日本、中國、韓國、法國、

美國、澳大利亞與俄羅斯等先進國家。各國主要的開發重點在於電解液，以 及提高能量密度的電極材料。除了最早發展的碳纖維之外，近期受到關注的 材料包括導電高分子與金屬氧化物等新興材料。超級電容器於各領域發展急 遽快速，除了獨特的元件性能、技術獨特，在多個國家提倡環保的政策下，

受到大力推動和扶持。隨著超級電容器近年來大規模發展，其已從成本、技 術等層面獲得進一步的突破。未來，超級電容器的持續發展提升與創新改 良，為推動全球低碳、環保，改善人們生存環境開啟重大促進作用。

Figure 1-10 Application fields of supercapacitor devices.

1.6研究動機與目的研究動機與目的 研究動機與目的研究動機與目的 胺(Polyaniline, PANi)進行靜電紡絲製程。PANi 為一種典型共軛高分子聚合 物, 透過 p 型摻雜後具有導電性，因其原料便宜，合成簡易，操作溫度範圍

1.7 論文架構論文架構 論文架構論文架構

本論文研究共分為五個章節：

(1) 第一章為緒論，包括靜電紡絲技術、導電高分子及超級電容器之簡介與 發展狀況，並說明本論文之研究動機與目的。

(2) 第二章為文獻回顧與理論探討，主要說明靜電紡絲原理，以及其餘製備 奈米纖維的製造技術，並針對導電高分子原理與應用加以說明。

(3) 第三章為實驗設計與規劃，介紹超級電容元件之設計，說明實驗流程、

設備、材料與元件性能的評估方式。

(4) 第四章為實驗結果與討論，說明實驗重要結果，將相關實驗數據整理分 析，並加以討論。

(5) 第五章為結論與未來展望，詳述重要實驗成果並加以歸納總結，並建議 未來研究方向。最後附上研究過程中之參考文獻。

第二章 文獻回顧與理論探討

2.1 奈米纖維製備技術分類

在國家度量衡標準實驗室規範下，廣義的奈米纖維(Nanofiber)為具有奈 米尺度大小之纖維，狹義則為直徑 1 nm 到 100 nm、長度與直徑比值大於一 百倍以上之一維物質。就尺度與纖維之關係，定義直徑 0.1 nm 至 1 nm 者屬 埃(Å ngström)纖維尺度、1 nm~100 nm 者屬奈米纖維尺度、100 nm~1000 nm 屬次微米(Submicron)纖維尺度、1000 nm~10000 nm 屬微米(Micron)纖維尺 度，如表 2-1 所示，目前工業化生產之可能性，以 1 m 尺度纖維為基準，

逐漸將纖維尺度微縮至更小之次微米尺度、奈米尺度甚至達到高分子鏈尺 度，而尺度的改變將有機會擁有更實用之功能性纖維。

Table 2-1 Application of fiber on the industrial scale.

文獻上有關奈米纖維之製備方式有很多，如抽絲法(Drawing)、靜電紡絲 法(Electrosinning)、模板法(Template)、高分子自組裝法(Self-assembly)、萃取 提煉法(Extraction)與細菌培養法(Bacterial cellulose)等如表 2-2 所示，因靜電 紡絲法為本論文所採用之主要技術，其詳細原理與文獻將於 2-2 章節加以說 為分子鏈順向性不高，需較昂貴之耗材，例如陽極氧化鋁(Anodic aluminum oxide, AAO)等模板【15】。

2.1.4 萃取提煉法

萃取提煉法(Extraction)是藉由化學和機械處理，從自然界材料取得奈米

萃取提煉法(Extraction)是藉由化學和機械處理，從自然界材料取得奈米