静电纺纳米纤维的性能及应用

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摘要： 随着科学技术的不断发展，纳米技术在纤维制造领域得到了广泛的应用，兼具不同功能性的纳米纤维应运而生，并因其诸多的优越性能在很多研究领域得到推广。本文通过研究静电纺纳米纤维的制备方法及性能分析，为进一步促进复合纳米材料的发展，并为其应用提供一定的理论依据。

关键词： 纳米材料；静电纺纳米纤维；静电纺丝法；应用领域

自1982年扫描隧道显微镜诞生以来，人们对超细纤维的认识从微米级转移到了纳米范围，随之纳米材料也应运而生。纳米材料是指在三维空间内至少有一维处于纳米量级的材料。如果按维数划分，纳米材料的基本单元可以划分为三类：零维、一维和二维。零维是指在空间三维尺度均在纳米尺度（1nm～100nm），如原子团簇、纳米尺度颗粒等；一维是指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维是指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等[1]。

1 纳米纤维的定义及制备方法

纳米纤维的定义有广义和狭义之分。狭义地说，纳米纤维是指直径在1nm～100nm的纤维。广义地说，零维或一维纳米材料与三维材料经过复合而制得的传统纤维，也可称为纳米复合纤维或广义的纳米纤维，只是这里的三维材料必须满足常规纤维的尺度定义。更确切地说，这种复合纤维应称为经纳米微粒改性的传统纤维。由于这两种纤维机械性能和物理特性有很大不同，所以前者称为纳米直径纤维，后者称为纳米改性纤维。所谓聚合物纳米纤维，是指纳米纤维的直径小于1000nm，这是由于聚合物纳米纤维在1000nm之内就已经产生很多特殊的性能。

制备纳米纤维的主要方法有拉伸法、模板法、自组装法和静电纺丝法。拉伸法能制得单根纳米纤维长丝，但只有黏弹性材料才可能拉伸成纳米纤维；模板法是用纳米多孔膜作为模板，制备纳米纤维或中空纳米纤维，但不能制备连续的纳米纤维，产量太小；自组装法是利用分子间的相互作用力，将已有的组分自发地组装成具有某种形貌或功能的纳米材料，但可控性较差。静电纺丝法是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法 。

2 静电纺纳米纤维的性能

静电纺纳米纤维比传统纺丝法制得的纤维细得多，直径一般在几十纳米至几微米之间。第一，纤维直径小，用这种纤维形成的非织造布，在力学性能、导电性、吸附性等方面表现出优良的性质，适合纳米级非织造材料的独特性；第二，具有高比表面积，纤维直径减小1至2个数量级，比表面积增大几个数量级，高比表面积使静电纺纳米纤维的应用得到更大的拓展；第三，具有高吸附性，静电纺非织造材料纤维具有的高比表面积决定了其高吸附性，有很多无毒、吸附性好的高聚物制成纳米级纤维非织造布，用作生物医用材料，作为细胞培养基体。因静电纺纳米纤维具有诸多优越的性能，有关科研人员提出了以下几个主要的应用研究领域：复合增强材料、过滤、分离膜、生物医学应用（包括组织工程、人造器官、药物控释、创伤包扎）和防护服以及燃料电池等领域。

3 静电纺纳米纤维的应用

3.1 复合增强材料领域[2]

纳米纤维比同材质的微米尺寸的纤维除了具有更好的机械性能外，还具有更多独特的优异性能。例如，若复合材料中基体聚合物和纤维折光指数不同，由于光散射会引起复合材料不透明，但当纤维直径小于可见光波长时，就不会出现这种现象。静电纺聚合物纳米纤维在复合材料中主要是作为增强材料。美国科学家Kim等人研究了PBI静电纺纳米纤维在环氧树脂基体和橡胶基体中的增强效果。还有，Bergshoef等人将尼龙-4、尼龙-6的甲酸溶液用静电纺丝的方法制备得到直径为30nm至200nm的纳米纤维，除了使环氧树脂复合材料的硬度和拉伸性能大幅度增强，还保持了环氧树脂复合材料的透明度。

3.2 阻隔过滤材料

静电纺纳米纤维具有直径小、比表面积大、吸附能力强、纤维之间孔尺寸小、分布广等优点。静电纺丝法纺成的纤维因具有很强的吸附力以及良好的过滤性、阻隔性、粘合性和保温性等特性可制作吸附材料和过滤材料，应用于亚微米微粒的过滤等方面，可用于原子工业、无菌室、精密工业、生物化纤防护等，其过滤效率较之常规过滤材料效率大大提高。如同样克重的纳米纤维过滤毡与常规维纶纤维过滤毡的过滤效率相比，前者为85%，后者仅为15%。有专家申请了一项关于空气过滤袋的专利，过滤袋由支撑层和纳米纤维层复合而成。静电纺丝纤维还能用于防护服，制得的防护服能允许蒸汽扩散，又能挡风和过滤微细颗粒，还可以阻挡有害气体、生化有毒物质等。利用纳米材料的阻隔性做阻隔材料时，由于能阻挡微粒和某种离子的迁移，可用作微型蓄电池正负极之间的隔膜。

3.3 生物医用材料[3]

目前，对静电纺丝聚合物纳米纤维的主要应用之一集中在生物工程方面。从仿生学的角度，大多数人的组织和器官是以纳米纤维的形式和结构堆积起来的，静电纺丝能够制备纳米级的仿生纤维。人造血管的多孔性和顺应性能影响组织反应，多孔的人造血管有利于宿主组织的长入，使其内壁能更好地内化。

由于纳米纤维的尺寸小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能，从而提供一个细胞种植、繁殖、生长的理想模板。组织工程中细胞支架是对细胞外基质结构的模仿，进而起到细胞外基质的作用。静电纺丝纤维支架与细胞外基质在形态结构上相似，同时静电纺丝纤维支架的比表面积大，孔隙多，易于细胞的附着和生长。有科学家将骨髓基质细胞（MSC）接种在聚己内酯（PCL）纳米纤维支架上，MSC表现为β型生长转换因子，培养后发现MSC很好地附着在支架上，并生长出由II型胶原质、软骨质蛋白组成的细胞外基质。

基于药物和相对应的载体的表面积越大、药物的溶解速度越大的原理，纳米纤维可以作为药物释放的载体。材料专家Ignatious等人研究了含药物聚合物静电纺纳米纤维，设计了能够提供快速、直接、延迟或者改性的溶解的持续或者间断释放的药物释放控制体系。有学者研究了四环素在静电纺聚乳酸纤维及聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纤维及它们的混合物纤维基体中的药物释放情况。

静电纺纳米纤维还可以被用作皮肤清洁、皮肤护理或者其他治疗医用性能的面膜。纳米纤维面膜由于小的空隙及大的表面积可以把面膜中的添加成分迅速地转移到皮肤，使添加的活性成分得到充分利用并且具有很好的透气性。

3.4 防护服

美国ASSC Natick开发中心的Gibson等人一直致力于利用静电纺丝技术开发保护性服用材料。Gibson发现用静电纺丝法制备的纳米级非织造膜对以气溶胶形式存在的生物化学制剂具有很好的防护作用。目前聚氨酯（PU）和膨体聚四氟乙烯（ePTFE）微孔膜被广泛地用于防护服材料，它具有高的水汽透过率，可以快速驱散人体产生的热量，较低的透气性以阻止空气穿透以及良好的细菌阻隔性，是防护服理想的候选材料。

3.5 电子及光学方面[4]

传感器的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比，而静电纺丝纳米纤维的比表面积比通用膜的大得多，约为1×103（m2/g），用在传感器方面可以大大提高其灵敏度。有专家将可交联的聚丙烯酸（PAA）与聚乙烯醇（PVA）混合，静电纺在石英晶体微平衡器（QCM）表面上制得对NH3敏感的气体传感器。

参考文献：

[1] 章新兵，许民，龙小艺. 纳米纤维的研究进展[J]. 江西化学，2004，（3）：24-30.

[2] 邹科，龙云泽，吴佑实.静电纺丝制备纳米纤维的进展及应用[J].合成纤维工业，2007，30（3）：54-57.

[3] Chan Kim， Sang-Hee Park，Wan-Jin Lee，et al. Characteristics of supercapaitor electrodes of PBI-based carbon nanofiber web prepared by electrospinning[J]. Electrochimica Acta， 2004，50（2-3）：877-881 .

[4] Bergshoef M M，Vancso G J. Transparent nanocomposites with ultrathin electrospun Nylon-4，6 fiber reinforcement[J]. Adv Mater，1999，11（16）：1362-1365.

（作者单位：韩晓杰，唐山市纤维检验所；张瑜，河北科技大学唐山分院）