杨欢-纳米纤维

1、纳米纤维 讲课人：杨欢 纳米纤维概述 纳米纤维制备方法 纳米纤维的应用 内容 所谓的纤维，是大家十分熟悉的名词。在日常生 活中，做服装用的羊毛，蚕丝，亚麻，棉花等都是纤 维，此种纤维的主要成分是纤维素（C6H10O5） n ）。除了上述有机聚合物构成的纤维外，还有金属 纤维，矿物纤维，陶瓷纤维等。 纤维有两个明显的几何特征。第一，纤维有较大 的长度直径比a，蚕丝和化学纤维的a都可以趋于无穷 大；第二，纤维的直径必须较细，这是出现一定柔韧 性所必需的。普通传统纤维材料的直径多为550um. 概述 纳米纤维的定义： 一种为狭义的定义，指纤维直径在1100nm尺度范 围内的纤维; 另一种为广义的定义

2、，除了纤维直径在1100nm尺 度范围内的纤维外，还包括用纳米粒子、狭义纳米纤 维制备得到的传统纤维。我们通常所说的纳米纤维皆 为狭义的纳米纤维。 现在很多企业为了商品的宣传效果，把填加了纳米级 （即小于100nm）粉末填充物的纤维也称为纳米纤维。 纳米纤维的分类： 纳米纤维与传统的纤维材料一样，按 其来源来分类，有以下几种 天然纳米纤维 有机纳米纤维 金属纳米纤维 陶瓷纳米纤维等。 天然纤维中，直径在纳米尺度的代表是蜘 蛛丝。 纳米纤维的特点： 因为纳米纤维的直径在纳米级别范围之 内，所以其具有纳米材料的一般特点： 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子的隧道效应 纳米纤维的制备方法

3、在传统的合成纤维制备方法中分为两大类: 熔体纺丝和溶液纺丝法。在溶液法纺丝中， 根据凝固方式的不同，又分为干法纺丝和湿 法纺丝两种。 纳米纤维不能用传统的纺丝方法制备，但 有共同之处，也可以用熔体和溶液来制备。 近年来，人们已研究了一系列制备聚合物纳 米纤维的方法主要有以下几种： 纳米纤维制备方法： 拉伸法 模板合成法 相分离法 分子自组装法 静电纺丝法 拉伸法:通过拉伸的方法可以制备单根纤维， 只适用能够承受巨大的拉伸应力的粘弹性聚 合物，因此适用范围很窄。Ondarcuhu等采 用了一种类似于干纺的工艺，制备了纳米尺 度的聚合物纤维，与单壁纳米碳纳米纤维制 备相比，这种方法在一个拉伸过程中

4、就得到 了纳米纤维。 拉伸法 模板合成法 利用模板作为纤维成型的口模或者模板来制备 纳米纤维。目前能获得的模板如多孔膜，其孔的长 径比小，只能制备与模板的孔相当的纳米短纤维或 者一端与模相连的毛刷状结构，因此一般不能够制 备连续的纳米纤维。Martin等人用聚合物模板制备 了纳米纤维。Feng等以阳极多孔氧化铝膜作为模板 把PAN （Peroxyacetyl Nitrate）溶液挤出到凝固液 中得到了疏水性很好的纳米纤维。杨正龙等以阳极 多孔氧化铝膜为模板，制备了一系列一维结构材料 及其阵列体系，材料的结构和阵列方式可调。 相分离法 此方法包含溶解、凝胶、抽出三个过程，周 期很长，而且需要一个

5、多孔泡沫模板，有类 似于模板聚合的缺点。Ma等采用相分离法制 备了生物降解脂肪族聚合的纤维直径在 50500nm之间的三维交错状织物，用作细 胞培养的基体。 分子自组装法 用分子自组装技术组装成纳米纤维，其特点 是可以在聚合物之前有预见性的设计好纤维 的结构，但其周期也很长。Liu等以PS一b一 PCEMA嵌段共聚物为原料，利用自组装技术 制备了PCEMA为芯层，PS为皮层的纳米纤 维。 静电纺丝法 此方法是使带电荷的高分子溶液或 熔体在静电场中流动并发生形变，然后 经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，得到纤 维状物质。 v电纺装置由三部分组成：高压电源、 注射器、金属收集网（为负极，一般 直接接地）

6、。 v电纺的主要过程是：以恒定的力推动 注射器活塞，通过计量泵使一定流量 的聚合物溶液从喷嘴以连续细流的形 式流出，在喷嘴处接上高压静电，喷 嘴与接收屏之间的距离为D，之间形 成一个很大的外电场，聚合物溶液在 外电场的作用下极化，产生表面电荷， 由于多种力(有重力、外电场力、电 荷斥力、表面张力、粘性力)的共同 作用，产生了对称和非对称不稳性的 鞭动，细流在鞭动过程中受到拉伸而 细化，经溶剂挥发或冷却后将凝结或 固化为微丝，以无纺布的形式沉积在 收集板上，也就得到了所需要的纳米 纤维。 电纺聚合物纳米纤维装置图 影响电纺的主要因素有： 溶液的性质，包括溶液的浓度、粘度、电导率和表面张 力，以及

7、溶剂的蒸气压和沸点； 聚合物的分子量和分子量分布； 电场强度、针头细管中的静压和针尖与收集器间的距离 环境因素例如温度、空气湿度与流动速度等 其中，影响纤维直径的一个最重要因素是溶液粘度，溶 液粘度越大，纤维的直径越大。 在上面各种纳米纤维的制备方法中，有的适 用范围窄，设备要求高，如拉伸法；有的仅限 于制备受于模板限制的纤维，如模板合成法； 有的过程复杂，难于控制，周期长，如相合成 法，分子自组装法。 相比之下，静电纺丝法制备聚合物纳米纤维 具有设备简单、成本低廉、操作容易以及高效 等优点，因此它被认为是制备大量聚合物连续 纳米纤维最有效的方法。 纳米纤维的应用 聚合物纳米纤维聚合物纳米纤维

8、 作为聚合物 的增强物 分离和过滤 生物及 医学治疗 电池材料 和能源方面 酶及催化作用 用于电子和 光学设备 分离和过滤 由于电纺纳米纤维相互搭接可形成亚微米级至纳米 级的多孔膜，故可被广泛应用于分离和过滤领域。 Gibson等人系统研究了电纺纤维构成多孔膜的水气 传输性能，电纺聚合物薄膜过滤性能良好，并且有 突出的俘虏浮质、薄雾的特征。这种电纺的纳米纤 维膜可以用于救生衣材料。包容了磁性成份的纳米 纤维薄膜可有效分离磁活泼粒子。原则上，包含各 种活性成份的纳米纤维薄膜回应各种与之相应的环 境变化是可行的。 过滤效率随着纳米纤维的孔径减小而增加 生物及医学治疗 用各种蛋白质制备的纳米纤维为组

9、织生长提供一个 良好的平台，成功的组织工程需要人们提供一个含 自然相似物的化学成份、形态、表面功能组织。纳 米纤维膜具有相互关联的三维多孔结构和较大的比 表面积，可提供理想的组织工程所需的自然细胞母 体所需要的结构。电纺纤维膜用于医疗方面的薄膜 可俘虏浮质而防止病菌侵入，并且具有良好的水气 运载功能，而其表面积大则为分散药品提供良好保 障。 纳米纤维无纺布用于伤口治疗 电池材料方面 Jo等人将电纺聚合物的纳米纤维多孔膜制成 含聚合物电解质的复合材料，已被成功应用于 锂电池。他们还发现电解质液浸泡后的多孔膜 呈现离子传导的加强。Kim等用PAN前驱体制 备的碳纳米纤维的电极材料做电容，其最大比 电容为175 F/g。控制活化温度、孔密度的纳 米纤维材料极大提高了比电容。 作为聚合物的增强物 纳米纤维作为聚合物的增强物具有以下两个 有利方面，其一是纳米纤维很高的单位体积 比表面积可以提高纤维与基体的界面结合强 度；另一有利方面是当纳米纤维的直径远小 于可见光波长时，可以避免填充物与基体不 同的折射率而引起基体透明度的