納米纖維的制備及應(yīng)用

1、納米纖維的制備及應(yīng)用,紡織品服用性能,美國國家衛(wèi)生基金會(NSF)規(guī)定,納米材料是指該材料至少有一項尺寸100 nm。 靜電紡絲可以紡出直徑在1010 000 nm的纖維,所以靜電紡纖維可以稱為納米纖維,Nano Fiber,溶液液晶取向生長法或桔瓣纖維分裂法、海島纖維溶解法等紡絲方法均可以制造納米纖維。 靜電紡絲是制造納米纖維最簡單的途徑,Nano Fiber,靜電紡絲是一種利用靜電力直接將聚合物溶液或熔體紡成納米纖維的紡絲過程,靜電紡纖維裝置示意圖,Nano Fiber,在靜電紡絲的起始階段，聚合物流體因表面張力作用貯積在毛細(xì)管內(nèi)不外流。當(dāng)外加電場開始作用于毛細(xì)管頂端，流體表面產(chǎn)生大量靜電

2、電荷。毛細(xì)管頂端液滴的表面張力受靜電斥力削弱，被逐漸拉長形成帶電錐體，即泰勒錐,Nano Fiber,當(dāng)電場強(qiáng)度增大到特定臨界值時，流體表面的電荷斥力大于表面張力，帶電流體就會從泰勒錐的頂點(diǎn)噴射出來，形成帶電射流。在噴射區(qū)帶電射流將經(jīng)歷一個突然加速的過程，同時聚合物因溶劑揮發(fā)凝結(jié)或熔融體冷卻固化形成聚合物纖維形成，并被高度拉伸而逐漸細(xì)化，最后沉積在接地收集板上,Nano Fiber,在靜電紡絲裝置中，毛細(xì)管可以垂直和水平放置，兩者不同之處在于液滴的引發(fā)機(jī)理不同。毛細(xì)管水平放置時要用活塞泵擠壓毛細(xì)管中流體引發(fā)液滴，而毛細(xì)管垂直放置時則可以依靠重力作用或泵兩種方式來引發(fā)液滴。有時也會以不同的傾斜角

3、度來放置毛細(xì)管以達(dá)到控制流體流動特性的目的,Nano Fiber,聚合物纖維接收板通常是固定的接地金屬平板或格柵，聚合物纖維形成后隨意沉積在接收板上而被收集。這種收集方式的不足是聚合物納米纖維只能以無紡布的形式收集，無法獲得彼此分離的納米纖維絲,Nano Fiber,幾乎所有可以溶解于一定溶劑中形成溶液或能夠熔融成熔體的聚合物都可以用來靜電紡絲,Nano Fiber,但是影響靜電紡絲的因素很多,如聚合物和溶劑的類型、聚合物分子鏈長度和分布、聚合物溶液濃度、溶劑揮發(fā)性、電壓和電極大小、溶液導(dǎo)電性和pH值、噴嘴與接收板間的距離、接收板移動速度、環(huán)境溫濕度、氣壓和電場等,Nano Fiber,近年來

4、，由于各種功能的纖維被制造出來，纖維的消費(fèi)開始轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)用途，同時對纖維制造商提出了更多多功能、高功能的要求。另一方面，由于環(huán)境問題，非石油的原料（從植物來資源）日益受到重視,Nano Fiber,日本在纖維的多功能、高功能及環(huán)境保護(hù)方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。 以下介紹日本技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）有關(guān)納米纖維的研究開發(fā)項目及調(diào)查狀況,Nano Fiber,該項目在給人民帶來豐富而舒適生活的目標(biāo)下，為實現(xiàn)高度信息化社會、節(jié)約能源、安全健康長壽的社會目標(biāo)，以科學(xué)為基礎(chǔ)，通過革新的材料創(chuàng)新技術(shù)來實現(xiàn)上述目標(biāo),頂尖功能型新纖維材料基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā),用靜電紡絲及納米熔融分散紡絲技術(shù)，對纖維材料進(jìn)行納米級成

5、形加工及表面加工以及混合運(yùn)用，使材料高功能化，最大限度地利用超細(xì)纖維的超比表面積效應(yīng)、納米級效應(yīng)及超分子排列效應(yīng)的三大效應(yīng)，在燃料電池、信息家電、環(huán)境能源、醫(yī)療福利、安全等領(lǐng)域，制造革新材料以增強(qiáng)日本產(chǎn)業(yè)的競爭力,頂尖功能型新纖維材料基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā),為了有效滅火及迅速救助受災(zāi)者，需要阻燃性、耐熱性非常高的消防服；納米纖維使纖維材料高功能化，因此可開發(fā)出納米纖維的織物、積層結(jié)構(gòu)體及消防服，制造出防護(hù)性和舒適性兼?zhèn)涞氖澜缱罡咚降南冗M(jìn)消防服,應(yīng)用納米纖維的隔熱、耐熱、舒適性優(yōu) 良的先進(jìn)消防服的開發(fā),有效利用光合成可再生的生物資源是十分重要的課題。纖維素纖維（粘膠等）一般都用有害的試劑經(jīng)濕法紡絲制得

6、，因此不能說它是環(huán)境友好的材料。利用新型纖維素紡絲技術(shù)，使其達(dá)到熱可塑性化，可用熔融紡絲法制成纖維,從熔融紡絲制得以天然物為原料的新型纖維的研究,芳香族聚酰胺等高性能纖維，原料價格高，性價比不高，因此用途受到限制。我們采用低價的一氧化碳和乙烯作為原料的脂肪族聚酮，用其濃鹽水溶液經(jīng)凝膠紡制得低成本的超纖維，掌握了基礎(chǔ)技術(shù)。在此基礎(chǔ)技術(shù)上該研究確立了聚酮纖維工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，并了解了聚酮纖維的應(yīng)用特，目的在于聚酮纖維的工業(yè)化,高性能聚酮纖維的工業(yè)化基礎(chǔ)技術(shù)的開 發(fā),汽車節(jié)能符合抑制地球溫室效應(yīng)（CO2削減排放）的要求，日本正積極探討燃油降低問題。燃油降低的有效手段就是減輕車重，目前汽車制造商在著重探討

7、由鋼向鋁等輕金屬材料轉(zhuǎn)換，下一步計劃利用先進(jìn)的復(fù)合材料,汽車用、輕質(zhì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研 發(fā),碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有比高強(qiáng)度鋼的比強(qiáng)度更高的輕質(zhì)效果，被寄予非常高的期望。目前正積極開發(fā)CFRP材料設(shè)計成形技術(shù)、組裝技術(shù)、沖擊安全技術(shù)以及回用技術(shù)，努力使其達(dá)到實用化,汽車用、輕質(zhì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研 發(fā),為了發(fā)揮高分子材料原有的極限性能、功能，著眼于分子間互相作用，進(jìn)行納米級高序結(jié)構(gòu)控制，通過發(fā)現(xiàn)多種高分子材料物性，來適應(yīng)用戶的高標(biāo)準(zhǔn)要求。因此在項目的后期，明確了更實用化的研究目標(biāo)，不限于確立單項基礎(chǔ)技術(shù),精密高分子,由于靜電紡絲是快速相分離和快速固化兩個過程共同作用的結(jié)果，因此

8、可以通過選擇性地去除溶液中的某種成分，制備高性能的特殊表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能性納米纖維,特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物納米纖維,Bognitzki 等人采用了管纖維模板（TUFT）工藝對PLA進(jìn)行靜電紡絲，成功制備了聚合物/金屬功能性納米管。TUFT工藝過程就是先用化學(xué)氣相沉淀法使PLA纖維表面附著一層聚-亞二甲苯，然后再涂敷上一層目的金屬，最后熱分解PLA纖維內(nèi)芯，制備中空納米管,特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物納米纖維,溶膠-凝膠涂覆技術(shù)也是一種制備功能性納米管的重要工藝。Caruso等人采用溶膠-凝膠涂覆技術(shù)首先將無定形二氧化鈦涂覆在聚L型丙交酯靜電紡絲纖維上，再熱降解去除聚L型丙交酯后，制備中空二氧化鈦納米管,

9、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物納米纖維,在靜電紡絲過程，可以向聚合物體系中添加特殊導(dǎo)電材料，適當(dāng)控制靜電紡絲工藝條件，可以實現(xiàn)納米纖維的特殊功能化。如向聚環(huán)氧乙烷、聚苯乙烯或PEO等聚合物中可添加有機(jī)導(dǎo)電高分子聚苯胺，對混合物進(jìn)行靜電紡絲，已成功地制備導(dǎo)電納米纖維,特殊功能化的納米級導(dǎo)電纖維,黃美榮等指出采用靜電紡絲法可制得導(dǎo)電聚合物納米長絲，其直徑取決于紡絲工藝參數(shù)，且導(dǎo)電聚合物納米纖維的電導(dǎo)率隨直徑下降而急劇上升，展示出誘人的性能及應(yīng)用前景。如聚苯胺長絲的最小直徑已控制在100 nm以下，聚苯胺分別與聚氯乙烯和聚苯乙烯形成的共混纖維最小直徑分別為950 nm 和72 nm，聚吡咯原纖直徑可達(dá)30 n

10、m,特殊功能化的納米級導(dǎo)電纖維,導(dǎo)電納米纖維的傳導(dǎo)率主要取決于纖維的形態(tài)，如纖維缺陷量和厚度，因此在靜電紡絲過程中可以通過調(diào)整聚合物和溶劑的配合比例來獲得不同形態(tài)的纖維，從而達(dá)到控制混合納米纖維傳導(dǎo)率的目的。同時由于納米級纖維內(nèi)的結(jié)晶缺陷具有特殊的電學(xué)特性，因此可以利用納米纖維的這一特性制造納米級電子儀器。因此導(dǎo)電納米纖維在微電子和光電子領(lǐng)域的運(yùn)用中有著潛在的優(yōu)勢,特殊功能化的納米級導(dǎo)電纖維,靜電紡絲工藝中高分子聚合物呈溶液或熔融態(tài)，因此可以通過向溶液或熔融體中添加特殊醫(yī)用用途的添加劑（可溶或不可溶顆粒物），將顆粒物包裹于納米纖維中，實現(xiàn)靜電紡絲纖維的功能化。如Reneker等將花粉孢子、藻酸

11、鹽顆粒和抗生素鹽酸四環(huán)素等藥物加入到PLA 和PEVA（50:50）混合液中，采用靜電紡絲工藝生產(chǎn)治療燒傷專用敷料,生物醫(yī)用高分子納米纖維,景遐斌等將阿霉素溶解在可生物降解高分子的溶液中進(jìn)行靜電紡絲，形成包裹有阿霉素的超細(xì)纖維無紡布或纖維氈。所制得的載藥纖維直徑可控制在0.1 2.0m，載藥量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。阿霉素隨著纖維載體的降解而緩慢釋放避免了初期突釋所產(chǎn)生的危害。纖維載體本身完全生物降解，沒有毒副作用,生物醫(yī)用高分子納米纖維,由于靜電紡絲納米纖維表面結(jié)構(gòu)的特殊性，新生細(xì)胞易于在其表面附著和繁殖，同時又會沿納米纖維導(dǎo)向生長。因此靜電紡絲納米纖維結(jié)構(gòu)是一種理想組織工程支架材料。Li等人應(yīng)

12、用靜電紡絲工藝開發(fā)了一種用于組織工程的納米纖維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由直徑約為500 800 nm 的D型或L 型丙交酯與乙交酯的共聚物PLGA纖維組成，其孔徑分布、空隙率與天然組織的細(xì)胞外模型相似,生物醫(yī)用高分子納米纖維,由靜電紡絲納米纖維生產(chǎn)的無紡布具有比表面積大和孔徑尺寸小的特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的吸附和過濾基材。目前靜電紡絲工藝制備專用濾布的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于亞微米微粒的過濾工藝,亞微米級專用過濾基材,以聚丙烯紡粘無紡布為基質(zhì)，尼龍66靜電紡絲納米纖維網(wǎng)為主體的新型復(fù)合過濾材料，當(dāng)用量僅是其他過濾材料20%的情況下，微粒過濾性能依然與性能最好的通用過濾材料相當(dāng)。同時由于納米纖維的荷電性取決于靜電紡絲所采用的聚合物化學(xué)特性，因此靜電紡絲工藝也可以用來生產(chǎn)過濾介質(zhì)專用的荷電纖維,亞微米級專用過濾基材,以聚丙烯紡粘無紡布為基質(zhì)，尼龍66靜電紡絲納米纖維網(wǎng)為主體的新型復(fù)合過濾材料，當(dāng)用量僅是其他過濾材料20%的情況下，微粒過濾性能依然與性能最好的通用過濾材料相當(dāng)。同時由于納米纖維的荷電性取決于靜電紡絲所采用的聚合物化學(xué)特性，因此靜電紡絲工藝也可以用來生產(chǎn)過濾介質(zhì)專用的荷電纖維,亞微米級專用過濾基材,目前有關(guān)納米纖維形態(tài)和材料特性的基礎(chǔ)研究工作仍處于初期階段，系統(tǒng)化深入地研究靜電紡絲制備納米纖維的工藝非常迫切：一方面如何實現(xiàn)納米纖維尺度、導(dǎo)向和其他預(yù)期特征的控