静电纺纳米纤维在传感器领域的应用
静电纺纳米纤维在传感器领域的应用
芦雪，乔秀月，北京永康乐业科技发展有限公司
静电纺丝是一种快速并且大量制备纳米纤维的有效方法之一，近年来受到各应用领域的青睐，尤其作为化学及生物传感器应用，更是表现出了突出的优势。静电纺丝纤维薄膜具有厚度可控，结构精细、材料多样化、比表面积大等优点，是一种理想的传感材料。据统计，2000年至今，以“sensor”为检索词的文献中，电纺丝领域的文章占1198篇；就2012年一年来说，如图1，全球发表的电纺丝领域文章数目为5763篇，以“sensor”为检索词的文献数为209篇，占总数的3.6%。其中，中国的发表数量为70篇，占总比的33.5%。这一结果充分说明国内有大部分研究者关注并且在这一领域已有研究性进展。
检索条件Topic=(Electrospinning or Electrospun),Timespan=2012
Refined by：Title=(Sensor)，Countries/Territories=(PEOPLES R CHINA)
静电纺纳米纤维膜具有三维立体结构、孔隙率高、比表面积大、结构可控性好等优点，是一种制备高性能传感元件的理想纳米材料。其在传感器制备方面主要有两种方法：一是采用功能性聚合物，如PAA、PAN等，进行电纺丝获取具有感应功能的纳米纤维，并将电纺丝纳米纤维直接作为传感器的感应元件，这种制造工艺较为简单，制得的传感器响应时间较快、灵敏度较高、并且具有较好的生物兼容性；二是将电纺丝纳米纤维作为模版，然后在纤维表面沉积响应的感应材料和进行化学改性，从而制得具有传感特性的微纳米结构[1]。
一般的，将具有高比表面积的纳米材料引入传感材料设计中，可带来较高的灵敏度。目前，已开发出基于不同传感原理的静电纺纤维传感器，如振频式、电阻式、光电式、光学式、安培式等形
式的传感器[29]；根据敏感元件种类可分别光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏……。
1.根据不同的识别元件可大致分为生物传感器、化学传感器。
生物传感器一般主要包括生物敏感元件和换能器，其中生物敏感元件是最重要的部分。利用高压静电纺丝作为生物敏感元件，优点在于纺丝材料具有良好的生物相容性，可以利用各种方式将纺丝纤维与生物大分子进行自组装，并且达到特异性识别被测物的目的。Wang XY[16]等将静电纺丝和静电层吸附两种方法结合起来，制作出了高敏感度的光学传感器。Manesh KM[17,30]等将葡萄糖氧化酶固定在分散了碳纳米管的PMMA电纺丝复合薄膜上，碳纳米管被PDDA功能修饰，带上正电荷，通过静电相互作用，带负电的葡萄糖氧化酶被固定在碳纳米管上，从而进行有效的电子传递，提高检测的重复性和复合物电极的稳定性。
要得到灵敏度高、性能优良的化学传感器，一般选用能与待测气体或者溶液中的分子具有特异性并相互作用，并且可以产生电学或者光学性质改变的材料[30]。通常的方法是利用电纺得到的半导体氧化物的高分子混纺物，然后去掉高分子得到半导体氧化物的纳米线或者纳米带。Yang A[18]等通过电纺SnO2/多壁碳纳米管（MWCNT）与PVA混纺的纺丝，热水溶解出去PVA，得到的SnO2/MWCNT。在表面活性剂CTAB的活化下，MWCNT表面产生许多的活化位点，产生n型半导体性质。得到的纳米纤维能够强烈吸附CO等还原性气体，导致阻抗发生很大改变。另一种方法是将高分子静电纺丝外层溅射一层半导体金属氧化物，然后高温煅烧除去高分子，可以方便地得到长径比很大的中空半导体纤维。Yoon J[19]等将丁二炔（DA）单体分散到有机溶剂中，然后进行静电纺丝。在纤维形成的过程中，当溶剂挥发后，DA单体会发生自组装现象，导致聚丁二炔（PDA）的形成，并嵌入到聚合物纤维里面。他们利用含有PDA聚合物的微米纤维薄膜的颜色变化来制作检测挥发性有机化合物的色度传感器，从而达到检测不同种有机溶剂的目的。两种制备方法相比较，前者是一种制备半导体纳米纤维较快速和简便的方法，但其纤维本身的特点，如孔隙率高、比表面积大等不能有效的得到发挥；后者与前者相比，多了一步工艺，较易得到中空半导体纤维，半导体氧化物置于纤维表面，其性能也能得到充分利用。
2.根据不同的被检测对象可分为生物分子（葡萄糖、H2O2、尿素……）、湿度、金属离子、气体、有机物及挥发蒸气、波长及其它传感器[2]。
2.1生物分子：
葡萄糖是主要的生命特征化合物，在生物领域具有重要地位，是生物体的能量来源和新陈代谢的重要中间产物，因此葡萄糖的检测和分析对人类的健康及疾病的诊断、治疗和控制具有重要的作用。Cao F[1]等利用静电纺CuO微纤维（CuO-MFs）对氟氧化锡电极进行了改性，用于非酶葡萄糖传感器，表现出高灵敏度（2321μAmM-1cm-2）、低检测极限（2.2nM）。Liu GY[2]等在锡酸铟玻璃表面对Cu(NO3)2/PVP进行电纺丝，经过热处理之后最终得到CuO纳米纤维锡酸铟（CuO NFs-ITO）电极。在最优条件下，CuO NFs-ITO对葡萄糖的线性响应范围在0.20μM～1.3mM,检测极限是40nM，制备方法简单、快速，是一种非常好的非酶葡萄糖传感器。而Tae SB[3]等则基于有效酶固定和电阻抗转移机理，利用静电纺丝技术制备得到了高性能葡萄糖氧化酶传感器，检测极限为20mmol/L，热处理的高热能导致碳纤维结构取向，从而提高了电化学性能。Wang BJ[4]等静电纺Cu(Ac)2/PAN复合纳米纤维热处理之后得到中空CuO粒子，对碳基底电极（CPE）进行改性，首次得到非酶H2O2传感器。其灵敏度达1746.5μAmM-1cm-2，检测极限低至0.022μM，线性响应范围0.05μM-1.0mM。Mao XW[5]等利用静电纺碳纳米纤维网状物用于气体传感器，通过改变碳化条件可以改变碳纳米纤维网的电子态密度（DOS）。辣根过氧化酶碳纳米纤维（HRP-CNF1200），这种直接电子传递模式（DET-type）H2O2生物传感器最低检测极限约为1.3μM，灵敏度为31200μAmM-1，其较高的DOS表现出了良好的电催化响应效果，在分子和生物分子感应器以及电催化领域都有广泛的应用前景。Wang HM[6]等首次成功的开发出了在静电纺纳米纤维上合成DNA-AuNP(功能性金纳米粒子)-CANF（醋酸纤维素静电纺纳米纤维）纳米复合薄膜的简单、经济的方法，其用于荧光感应器对乳腺癌基因Ⅰ型片段表现出了高效的灵敏度、选择性以及重复测量能力。最低检测极限为0.08nM,可用于生物传感器领域。
2.2金属离子：
Ling LX[25]等基于罗丹明B的衍生物RND设计了一种新型PVC传感器，可用于Hg+的选择性识别。该传感器对Hg+具有荧光增强的特异性响应，检测极限低至8.1×10-10M，可应用与鱼类和环境水样中Hg+的检测。Tan GQ[26]等以稻壳为吸附材料，采用离子选择性电极和复合pH电极在线监测稻壳吸附单一及混合Pb2+,Cd2+,Hg2+离子过程中离子浓度的连续变化及溶液pH值的变化，对稻壳吸附重金属离子的动力学行为及可能的机理做出了结论，并且同时证明稻壳对Pb2+的吸附能力最强，Cd2+最弱。Li Y[7]等基于牛血清蛋白修饰的Au纳米粒子（BAu探针）固定的静电纺PA6/NC（聚酰胺6/硝化纤维素）纳米纤维/网状交错（NFN）膜设计了一种新型比色条，可实时检测Pb2+。利用NFN比表面积大、孔隙率高等结构特点，比色条对其它金属离子具有优异的选择性，并且对肉眼识别极限0.2μM具有高度灵敏性，甚至比“CDC（国家疾病控制中心）”中规定的Pb2+在血液中的标准值更低。与基片上传统的比色条相比，这种新型超敏、可再生且具有高效选择性的感应比色条未来有望用于尿监测或者血液中Pb2+的监测，作为初步筛选铅中毒的方法。
2.3湿度：
表面声波传感器由于具有灵敏度高、稳定性好、体积小、成本低等特点，受到学术界和企业的广泛关注，成为目前传感器研究领域的热点。Lin QQ[8]等通过将PANi/PVB核壳结构复合纳米纤维与中心频率为433MHz的表面声波共振器上结合，可用于湿度传感器。复合纳米纤维感应器最低检测极限为0.5%RH，在相对湿度为20%～90%时，表现出的敏感度高达约75kHz/%RH，响应时间1s,并且具有良好的线形关系。湿度检测对武器装备的安全使用与发展具有非常重要的意义。Zhou F[31]等将聚乙烯醇（PVA）溶液通过静电纺丝沉积于玻璃基片表面，再将荧光小分子水杨酸（SA）沉积于三维纳米纤维状的PVA薄膜表面，制成荧光湿度薄膜传感器。其对湿度的响应时间在1min左右，可逆性较好，在武器装备领域有望得到更多应用。
2.4气体：
用静电纺所得到的气体传感器在灵敏度、可逆性、响应和回复时间方面表现出优异的性能，这些优点可归功于其纳米纤维形态以及微观结构与气敏性能之间的关系。Osnat Landau[9]等研究了纳米结构TiO2气体感应器的微观结构以及加工条件、微观结构和气敏性能之间的关联性。通过实验获得了两种TiO2介孔形态，发现晶粒尺寸大的，其比表面积更小。TiO2气体传感器对CO和NO2表现出了稳定且可逆的响应，响应复原在几分钟内完成。阻抗测试结果表明，表面阻抗对这两种气体具有敏感性。Wang XC[10]等基于Ni掺杂的ZnO静电纺纳米纤维，Ni包覆可促进本征缺陷的形成，影响ZnO的带隙，包覆浓度为5%。将其制成C2H2气体传感器可提高响应能力。SnO2在空气中最稳定且对各种气体和有机蒸气响应最灵敏，所以目前大多采用SnO2薄膜或SnO2基复合薄膜[27]。Du HY[12]等避免了在多喷头静电纺丝中经常出现的同极喷头射流间斥力的问题，采用相反电场双射流静电纺丝，即正高压为+9kV,负高压为-11kV，得到SnO2/In2O3异性复合网状结构纳米纤维。经测试分析，SnO2/In2O3复合纳米纤维是由小的纳米微晶组成的，由于在同一材料体系中两种纤维具有不同的纳米微晶尺寸，使其具有多通道结构，从而增加内部材料与甲醛的接触几率，提高SnO2/In2O3气体感应器的响应值。在乙醇、氨、丙酮、甲苯和甲醇等气体干扰下，对甲醛具有高效选择性。
2.5其它：
Ren GY[13]等通过静电纺P(VDF-TrFE)（偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物），得到了纳米纤维网状薄膜可用于挠性压力感应器。其最高灵敏度达到60.5mV·N-1，动力变化频为20Hz时也可准确测量，通过控制静电纺参数，可制备各种感应器应用于不同领域。Gao Q[14]等通过取向排列的
P3HT（聚噻吩）纳米组件制造了可灵活扩展的触觉传感器，通过检测电阻变化来检测压力的变化和弯曲角度，可重复响应。Wang XF[15]等以能够检测纳克数量级质量变化的石英晶体微天平（QCM）为传感平台，将覆盖着PEI的静电纺纳米TiO2纤维层作为一个高度敏感的传感接口，提供暴露的甲醛蒸汽质量变化的输出信号，通过检测QCM共振频率信号的分析来检测甲醛。所开发的甲醛选择性传感器在室温下具有快速响应和低检测极限等特点（1ppm），有望成为一种有影响力的用于合成有机—无机纳米混合结构QCM气体传感及化学分析的方法。
将静电纺丝与其它技术相结合，也可以制备出具有特种结构性能的材料。Ji SZ[20]等将静电纺丝与原位聚合技术相结合，制备出PMMA/PANi核-壳纳米纤维传感膜，在室温条件下，该传感膜对2254mg/m3(500ppm)的三乙胺（TEA）气体，传感器的响应高达77。在TEA浓度为90.17~2254mg/m3(20~500ppm)时，传感器的响应与TEA浓度具有良好的线形关系。此外，掺杂酸的种类对传感器的性能有着重要影响，其中苯磺酸（TSA）掺杂的传感器表现出更好的传感性能。Liu YX[32]等将ZnO溅射到高分子纺丝模板上，然后煅烧除去有机成分，得到取向的ZnO纳米管阵列，与ZnO薄膜相比，取向的ZnO对NO2和H2的检测灵敏度较高。Modafferi V[11]等将溶胶-凝胶法与静电纺丝相结合，合成了V2O5/PVAC（五氧化二钒/聚醋酸乙烯酯），将其煅烧之后得到了纯相的V2O5纳米纤维，用于高性能电阻式氨气敏传感器。在200-250℃的高温下，V2O5气敏传感器仍可高效响应，响应及回复时间约分别为50s、350s，由其氨气浓度响应范围得到的线性关系推测，其最低检测极限为100ppb。
微结构传感器敏感薄膜通常采用射频或直流溅射、气氛沉积技术和溶胶-凝胶等方法制备。（1）射频或直流溅射，对吸附分子具有选择性，射频溅射制备的薄膜晶粒大、疏松，灵敏性更佳；（2）沉积技术，可提高灵敏性，同时改善敏感特性，膜厚可控，便于大批量制备。Cai HL[34]等以采用真空溅射沉积方法，设计了一种基于铝膜的光纤光栅锈蚀传感器，并证明了其用于锈蚀检测的可行性。但仍有许多问题需要深入研究及改进，如优化镀膜参数、提高传感器存活率和实用型等；（3）溶胶凝胶法工艺，简便、经济，化学组成容易控制，膜厚均匀、一致性好、气敏性能稳定[28]。Liu GH[33]等人利用溶胶-凝胶法制备了SnO2粉体气敏材料，对其进行镧、锑掺杂，结果显著提高了传感器的灵敏度、选择性、响应恢复时间等性能。然而，既要获得灵敏稳定的敏感薄膜，又要在工艺过程中不损坏微结构基本单元，尚有许多问题需要探索。从传感器领域的长远发展来看，简化工艺、降低成本、改善传感器的选择性、长期稳定性、使其进一步微型化应是我们的研究重点。
2000年，将静电纺丝用于传感器领域的报道第一次被检索到。Kwoun SJ[21]等以PLA-GA （羟基丙酸-羟基乙酸共聚物）纳米纤维膜作为压电传感器的传感接口，并且对其各方面性能及应用进行了讨论，为传感器制备方法开阔了新的思路。静电纺纳米纤维结构尺寸小、比表面积大等优点有利于提高传感器的灵敏度、响应速度和选择性。尤其作为气体感应材料方面，较大的孔道易于气体分子在敏感材料表面快速吸附-脱附和扩散，能够充分接触材料的活性中心，且管状结构也有利于气体分子的传输，增加了材料与气体的接触面积，使气体与样品充分接触，也有助于灵敏度的提高。随着静电纺丝技术的不断成熟与发展，具有良好结构的静电纺纳米材料被证明是取代目前广泛使用的固体薄膜材料，进一步提高传感器性能的理想选择，不久的将来，越来越多的高灵敏并具有实际应用价值的静电纺纳米纤维传感器将被开发出来，为人类生活作出更大的贡献。
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来源:静电纺丝进展期刊
静电纺纳米纤维与药物控制释放(陈义旺)
静电纺纳米纤维与药物控制释放 陈义旺博士、教授、博士生导师、洪堡学者。南昌大学化学系主任，理学院副院长。 摘要 将抗肿瘤药物通过静电纺丝的方法装载到纳米纤维中以实现药物的控制释放，载药纳米纤维具有较低的药物突释效应，延长药物释放时间，并且从纳米纤维中缓释的抗肿瘤药物能很好地抑制HepG-2细胞的生长。负载抗肿瘤药物的电纺纳米纤维膜纤维能很好的应用于药物缓释系统，对肿瘤进行定位治疗及癌症手术后的化疗有很好的应用前景。 药物的控制释放一直是药物治疗领域中的重要课题。纳米纤维具有纵横交错的纳米孔结构、尺寸可控性好、比表面积大，是一种良好的新型载药系统；纳米纤维是封装药物的理想材料，它不但能将固体药物以颗粒形式封装入纤维内，还可以将液体药物以双层纤维或链珠状纤维形式进行封装[1,2]。因此，纳米纤维及其复合材料在药物控释系统、组织工程支架、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用[3,4]。 研究内容 1.溶液电纺或乳液电纺PEG-PLLA/明胶复合纤维纳米纤维担载亲水/疏水药物控制释放及抗肿 瘤活性研究[5-7]应用。PEG-PLLA纳米纤维作为大环内酯类抗生素药物布雷菲德菌素A（BFA）的控制释放系统，用HPLC测定药物BFA在PBS溶液中的释放曲线，结果表明药物可以长时间的控制释放。用MTT法对含有3%，6%，9%，12%和15%BFA的纳米纤维进行体外抗肿瘤活性测试（人肝癌HepG2细胞），细胞生长抑制率在72h分别为64%，77%，80%，81%和85%。结果证明担载BFA的PEG-PLLA纳米纤维（BFA/PEG-PLLA）的对药物BFA 有很好的控释效果，适合癌症的术后化疗。通过乳液电纺方法成功将亲水药物头孢拉定及疏水的药物五氟尿嘧啶装载入PLGA纤维中，同时装载天然蛋白明胶来提高纤维的细胞粘附能力。装载明胶的纤维具有很好亲水性及力学性能，乳液电纺纤维具有低的药物突释效应，具有低的毒性
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景..
静电纺丝技术研究及纳米纤维的应用前景 引言： 术语“电纺”来源于“静电纺丝”。虽然电纺这一术语是20世纪90年代才开始使用，但是其基本思想可以追述到60年前。1934一1944年间，FomalaS[1]申请了一系列的专利，发明了用静电场力来制备聚合物纤维的实验装置。1952年，vonnegut和NeubauerI53)发明了电场离子化技术，得到了粒径(0.lmm)均匀、带电程度高的线流。1955年，Drozin进行了不同液体在高电压下，形成气溶胶的研究。1966年，Simons发明了一种装置，用静电场纺丝法制备出了很轻超薄的无纺织物，他在研究中发现，低浓度溶液纺出的纤维较短且细;高浓度溶液纺出的纤维长且连续[2]。1971年，Baumgarten采用静电纺丝法制备出了直径在0.05u m一1.1um的丙烯酸纤维。自从80年代，特别是近些年，由于纳米技术的兴起，使得静电纺丝技术再度引起了纳米材料研究人员的高度关注。采用静电纺丝技术可以很容易的制备出直径在几百微米到几百纳米甚至几十纳米的高质量纤维。目前为止，己经有近上百种高分子采用静电纺丝技术被纺成纳/微米纤维。这些纳/微米纤维有些己经广泛应用于纳米复合材料、传感器、薄膜制造、过滤装置，以及生物医用材料的加工和制造上。本文立足于静电纺丝技术的研究现状，分别从材料的化学组成、纤维的分布方式和特殊结构形态三个方面进行了阐述。同时，概括并展望了纳米纤维的应用领域与前景。 1静电纺丝的基本原理 在电纺丝过程中，喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下，受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴，在电场诱导下表面聚集电荷，受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时，喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状，形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)[3-6]。而当电场强度增加至一个临界值时，电场力就会液体的表面张力，从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳，产生频率极高的不规则性螺旋运动。
静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维
作者简介: 李 静(1985-),女,河南人,江南大学生态纺织教育部重点实验室硕士生,研究方向:纳米材料和锂离子电池材料;乔 辉(1982-),男,山东人,江南大学生态纺织教育部重点实验室副教授,博士,研究方向:新能源材料等,本文联系人;魏取福(1964-),男,安徽人,江南大学生态纺织教育部重点实验室教授,博士生导师,研究方向:功能纤维材料。基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(JU SRP11102),江苏省自然科学基金(BK2010140) 静电纺丝法制备的多孔碳纳米纤维 李 静,乔 辉,魏取福 (江南大学纺织服装学院,生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡 214122) 摘要:用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PA N)/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,经预氧化、高温炭化,制备用作锂离子电池负极材料的碳纳米纤维(CN F)。透射电子显微镜(T EM )和比表面积分析发现:制备的CN F 具有多孔结构,比表面积达到572 9m 2 /g,平均孔径为33 6nm 。以50mA/g 的电流在0 01~3 00V 循环,制备的多孔CN F 的首次放电比容量为333 3mA h/g,第20次循环的可逆比容量为231 8mA h/g,充放电效率近90%。关键词:静电纺丝法; 碳纳米纤维(CN F); 多孔结构; 负极材料; 充放电性能中图分类号:T M 912 9 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2011)03-0132-03 Porous carbon nanofibers prepared by electrospinning technique LI Jing,QIAO Hui,WEI Qu fu (Key Labor atory of Eco T ex tiles of M inistry of Education ,College of T ex tiles&Clothing, J iangnan University ,Wux i,Jiangsu 214122,China) Abstract:Polyacr ylonitrile (PAN)/poly(methyl methacry late)(PM M A)co mposite nanofibers w er e prepared by electrospinning technique,then porous carbon nanofibers (CNF )as anode material for L i ion batter y were obtained by pr e ox idation and high tem perature carbonat ion T he analyses of transmission electron microscopy (T EM )and specific surface area showed that the as pre pared CNF had por ous structure,the specific sur face area was 572 9m 2/g,t he mean pore size was 33 6nm When cycled in 0 01~3 00V with the curr ent of 50mA /g,the initial specific discharg e capacity of the as pr epar ed porous CN F w as 333 3mAh/g,the r ev ersible specific capacity was 231 8mAh/g at t he 20th cycle,the charge discharge efficiency w as near 90% Key words:electrospinning ; carbon nanofibers (CNF ); porous structure; anode material; charge discharge performance 锂离子电池所用的碳负极材料,主要为石墨类材料和 低温热解碳。碳材料在首次充放电时表面会形成钝化膜,造成容量损失;且碳的电极电位与锂的很接近,当电池过充时,金属锂可能在负极表面析出,形成枝晶而引发安全问题,并导致容量降低。纳米材料,如碳纳米管(CNT )、纳米石墨、纳米合金和纳米氧化物等,已成为锂离子电池负极材料的研究重点,并有望取代碳材料用于锂离子电池[1]。 碳纳米纤维(CN F)的直径一般为10~500nm,是介于CN T 和普通碳纤维之间的准一维碳材料,具有较高的结晶取向度、较好的导电和导热性能,可用作超级电容器和锂离子电池的负极材料。L W Ji 等[2-3] 发现:CNF 作为锂离子 电池负极材料的储锂比容量达566mA h/g,首次循环的库仑效率为66%,且循环性能较好,第50次循环的可逆比容量仍有435mAh/g 。刘鸿鹏等 [4] 通过化学气相沉积(CVD )法制 备了CN F,首次嵌锂比容量达533mAh/g,第25次循环的可逆比容量保持在274mAh/g 。 静电纺丝法的工艺简单、成本低,是目前唯一可制备连续纳米级碳纤维的方法[5]。本文作者采用该方法,先制备聚丙烯腈(PAN )/聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)复合纳米纤维,再经预氧化、高温炭化,得到多孔CN F 。 第41卷 第3期2011年 6月电 池BAT T ERY BI MO NT HL Y Vol 41,No 3Jun ,2011
超疏水静电纺丝纳米纤维
超疏水静电纺丝纳米纤维 摘要：这篇文章介绍了最先进的静电纺丝纳米纤维的科技发展，以及它在自清洁簿膜、智能响应材料和其他相关领域的应用。超疏水自清洁，也成为“荷叶效应”，就是利用表面化学结构和拓扑学的正确结合，在表面形成了一个非常大的接触角并且通过重力使水带着表面上的污垢、颗粒以及其他污染物离开表面。本文简单介绍了超疏水自清洁的理论和静电纺丝过程中的基本原则，为了生成超疏水自清洁表面还讨论了静电纺丝过程的各种参数，这些参数可以有效的控制疏水实体的多渗透性结构的粗糙度，静电纺丝在纳米尺寸上的主要原则以及在通过静电纺丝合成一维材料时存在的困难也被完全的隐藏。另外，本文还比较了不同的静电纺丝纳米纤维的超疏水性能以及它们的科技应用。 关键字：超疏水静电纺丝纳米纤维性能应用展望
Superhydrophobic electrospun nanofibers Abstract: This review describes state-of-the-art scientific and technological developments of electrospun nanofibers and their use in self-cleaning membranes, responsive smart materials, and other related applications. Superhydrophobic self-cleaning, also called the lotus effect, utilizes the right combinations of surface chemistry and topology to form a very high contact angle on a surface and drive water droplets away from it, carrying with them dirt, particles, and other contaminants by way of gravity. A brief introduction to the theory of superhydrophobic self-cleaning and the basic principles of the electrospinning process is presented. Also discussed is electrospinning for the purpose of creating superhydrophobic self-cleaning surfaces under a wide variety of parameters that allow effective control of roughness of the porous structure with hydrophobic entities. The main principle of electrospinning at the nanoscale and existing difficulties in synthesis of one-dimensional materials by electrospinning are also covered thoroughly. The results of different electrospun nanofibers are compared to each other in terms of their superhydrophobic properties and their scientific and technological applications. Key words: superhydrophobic; electrospinning; nanofibers; properties; applications; outlook
静电纺纳米纤维的工艺原理_应用及发展前景
静电纺纳米纤维的工艺原理、应用及发展前景 付文丽,康为民,程博闻,李全祥 (天津工业大学,天津 300160) 摘 要:静电纺丝是一种新技术,它可制备出直径为纳米级的丝,最小直径可至1nm 。本文介绍了电纺丝制备原理、设备、影响纤维性能的主要工艺参数,综述了静电纺纳米纤维的应用及其发展前景。 关键词:纳米材料;纳米纤维;静电纺丝 中图分类号:TQ340.64 文献标识码:A 文章编号:1009-265X (2009)01-0051-04 收稿日期:2008-05-10 作者简介:付文丽(1983- ),女,山东青岛人,硕士研究生, 主要从事纺织新材料新产品的研究开发。 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形,最终得到纤维状物质,从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性,例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高,因而具有广泛的应用。1 静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代,Formals A [123]就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝, 但是直到近几年,由于对纳米科技研究的迅速升温,激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。111 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique ) 是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形, 经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 图1 静电纺丝设备示意图 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分:静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC/DC 和AC/DC 两种类型,实验中多用DC/DC 电源。液体供给 装置是一端带有毛细管的容器(如注射器),其中盛有高分子溶液或熔体,将一金属线的一端伸进容器中,使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板,可以是 金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地,作为负极,并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高,液体流量控制系统也被渐渐的采用,这样可以将液体的流速控制得更准确。 电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用,聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩,均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时,毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形,称为Taylor 锥。进一步增加电场强度,是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值,此时带电射流从Taylor 锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程,变得很细很长。同时溶剂挥发,得到带电的聚合物纤维。112 静电纺制备纳米纤维的装置 目前尚无用于实验的定型的静电纺丝机生产和出售,各研究单位均按照其主要的基本构件(高压静电发生器、进样器、收集器3部分),根据各自的条件自行安装。 Larrondo L 和Manley [4]设计出用于熔体的静 电纺丝机,如图2。 其中的主要部件分别为:1不锈钢圆筒;2不锈钢壁;3传热夹套;4加热管;5保温层;6热电偶;7不锈钢圆筒下口;8不锈钢毛细管;9毛细孔;10石棉板;11活塞;12液压泵;13金属压板;14喷丝孔;
静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展
静电纺纳米纤维膜用于重金属离子吸附的研究进展 摘要静电纺丝制备的纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙率，在重金属离子吸附领域有着广泛的应用前景。 本文在简要阐述纳米纤维膜吸附重金属离子机理的基础上，主要从有机纳米纤维膜、有机-无机复合纳米纤维膜、及无机纳米纤维膜等3个方面，介绍了近年来静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能及其相关的研究进展，并针对目前纳米纤维膜吸附重金属离子应用研究中存在的一些问题给出了建议，为纳米纤维膜吸附重金属离子的后续研究提供参考。 关键词静电纺；纳米纤维；吸附；重金属离子 0 引言 随着工业化进程的不断加快，由金属冶炼及化工生产废水排放等人为因素造成的重金属离子污染水源问题日益严峻，严重威胁到人类的健康[1,2]。为此，相关科研人员对重金属离子的污染问题进行了深入的研究，采取了多种措施对受污染的水体进行处理和修复。目前，已报道的去除水体中重金属离子的方法有：反渗透[3]、离子交换[4]、电化学沉降[5]、氧化还原[6]、生物处理及吸附技术[7]。其中，吸附技术因易操作、高效、可重复利用、成本低而备受关注[8,9]。而比表面积大的多孔材料对重金属离子具有良好的吸附效果[2]，通过静电纺丝制备的纳米纤维膜恰好具有高比表面积、高孔隙率以及内部连通的开孔结构等突出优势，从而使其在重金属离子的吸附分离方面表现出较好的吸附性能和循环利用性。 1纳米纤维膜吸附重金属离子机理 同大多数吸附材料的原理相同，纳米纤维膜对重金属离子的吸附也是一种传质过程，重金属离子通过物理作用或化学反应从液相转移到纤维膜上[10]。如图1所示[11]，纳米纤维膜对水溶液中重金属离子的吸附主要为物理吸附和化学吸附：其中物理吸附主要是通过静电相互作用（带正电荷的重金属离子与带负电基团之间的静电相互作用，约2～4个负性基团结合一个重金属离子），将重金属离子吸附到纤维表面。而化学吸附则是纤维表面的功能基团对重金属离子的螯合吸附作用（由纤维膜上的功能基团提供孤对电子与重金属离子形成配位共价键）。由于纳米纤维膜具有较高的比表面积，从而使纤维表面暴露出更多的功能基团，明显增加了纤维表面对重金属离子的吸附位数量，显著提高了纤维材料对重金属离子的吸附分离性能。 图 1 纳米纤维吸附重金属离子原理示意图 Fig.1 The mechanism of nanofiber mats for heavy metal ion adsorption 2纳米纤维膜吸附重金属研究进展 由于静电纺纳米纤维膜在重金属离子吸附方面展现出的优异性能，近年来，相关的科研人员进行了大量制备和改性的研究工作，本文分别从有机纳米纤维、有机-无机复合纳米纤维、无机纳米纤维等方面进行简要阐述。 2.1 有机纳米纤维 2.1.1 天然高分子纳米纤维
静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展_李蒙蒙
基金项目:国家自然科学基金(20904037)、江苏省自然科学基金(BK2009141); 作者简介:李蒙蒙(1988-),男,硕士研究生,主要从事静电纺丝制备纳米材料及其性质等方面的研究; ＊通讯联系人,E -mail :dy yang2008@sinano .ac .cn . 静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展 李蒙蒙1,2,朱 瑛1,仰大勇1＊,蒋兴宇3,马宏伟1 (1.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,苏州 215125; 2.青岛大学物理科学学院,青岛 266071; 3.国家纳米科学中心,北京 100190) 摘要:静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技术,由于设备和实验成本低、纤维产率高、制 备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等独特的优势,近些年来备受关注。静电纺丝的应用是静电纺丝研究 的最基本动力和终极目标,因此成为研究者一直努力的方向。为了研究静电纺丝应用的研究现状和主要发展 方向,本文综述了静电纺丝纳米纤维薄膜几个主要的应用领域,包括组织工程、药物缓释、纳米传感器、能源应 用、生物芯片和催化剂负载等,并展望了未来可能的发展方向。 关键词:静电纺丝;纳米纤维薄膜;应用进展 引言 静电纺丝是一种简便易行、可以直接从聚合物及复合材料制备连续纤维的方法,其制备的纳米纤维薄膜通常是以无纺布形式存在的。静电纺丝技术具有一些突出的优点:设备和实验成本较低,纤维产率较高,制备出的纤维比表面积比较大(纤维直径在几十纳米到几个微米的范围内),并且适用于许多不同种类的材料。这些优点使静电纺丝纳米纤维薄膜在许多领域具有广泛的潜在应用 [1～6]。静电纺丝的原理和设备如图1(a )所示[7],高压电源提供高压,正极接在医用注射器的不锈钢针头上, 负极(接地)接在铝箔上。电压一般在5kV 到30kV 之间,针头到收集极间的距离(工作距离)一般在5cm 到20cm 之间。实验时,将纺丝溶液装入注射器内,并加上高压。由于高压电场的作用,在针头处形成“泰勒锥”。溶液在高电压作用下形成射流,并经过多次分裂,同时溶剂快速挥发,在收集板上就得到了微纳米尺度的纤维,如图1(b )&(c )所示 。 图1 (a )静电纺丝的装置示意图及得到的聚合物纳米纤维的(b )数码照片和(c )电镜照片[7] Fig ure 1 (a )Schematic illustration of electr ospinning se t -up ;(b )Dig ital came ra imag e and (c )SEM image o f electro spun nanofiber s co llected on an aluminum fo il [7] 近年来,静电纺丝逐渐成为材料科学与纳米科技的研究热点之一,吸引着全世界的科技工作者。纵观近期已发表的相关文献,研究的内容包括以下几个方面:(1)新材料静电纺丝的制备,主要包括生物材
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用
静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用 戚妙北京永康乐业科技发展有限公司 １．静电纺过滤材料简述 一般说来，人们对于过滤材料原材料的甄选基本会在以下几种材料中进行：天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷、矿物等等[1-2]。按照不同的加工工艺这些过滤材料可分为以下几类[3]：①机织物、针织物、编织网和纤维束等；②纺粘和熔喷无纺布；③多孔陶瓷材料；④有机膜和无机膜材料； ⑤静电纺丝材料。 传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有30%～40%[4]。从生产工艺流程角度审视，传统纤维织造过滤材料流程长，产品的生产效率低，主要通过经纬纱之间的孔隙进行过滤，滤料本身产生的阻力也比较大；且织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果过滤材料还没有形成粉尘层、过滤层清灰或者其它原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤料的过滤效率大幅下降。 在过滤材料上运用静电纺丝技术有非常多的优点，现将其归纳成以下几个方面[5-9]。 （1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器，随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。 （2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。 （3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。 （4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。 （5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。 目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3um以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景[10]。 2.静电纺丝在过滤材料的应用 根据不同的应用领域可将对于静电纺丝过滤材料的研究分为以下三个方面： 2.1气体过滤
刘延波谈静电纺纳米纤维技术
谈静电纺纳米纤维技术 刘延波 天津工业大学纺织学院，300160s 纳米纤维一般是指纤维的直径在纳米级范围。有些人把直径小于1μm的纤维称为纳米纤维，而有些人则定义直径小于0.3μm的纤维为纳米纤维，也有文献将纳米纤维定义为直径为纳米级、长度超过1μm的物质。美国国家科学基金会（NSF）定义纳米纤维为至少在一维空间尺度上小于100nm的纤维。无纺布工业一般认为直径小于1微米的纤维就是纳米纤维。另一方面，更广泛说来，传统纤维与纳米材料（零维、一维或三维）复合制得的纤维材料也可以称为纳米复合纤维材料或广义的纳米纤维材料。纳米纤维这种广泛的定义还可以延伸，即可以把纤维中包含有纳米结构，而且又赋予了新的物理性能的纤维都划入纳米纤维的范围。纳米纤维与人发的细度对比如图1所示。图2为纳米纤维的SEM图片。 纳米纤维材料特点及应用 纳米纤维直径一般在几个纳米到几个微米之间，极细的纤维直径使得纳米纤维具有极高的比表面积，因此具有极高的表面吸附性能；另一方面，由极细的纳米纤维构成的纤网、薄膜或非织造布又具有极小的孔隙尺寸和极高的孔隙率（低空气阻力）及静电驻留性，因此在表面吸附、过滤隔阻等方面具有广泛的应用，例如气体过滤、液体过滤、吸声防噪、生物医疗、能源电子、航空航天、农业防护、战争防护、食品安全、化妆品、纳米纤维增强复合材料等领域，部分应用如图3所示。具体包括： （1）气体过滤—工业气体、汽车发动机空气过滤以及汽车尾气过滤； （2）液体过滤—食品和药品过滤、血液过滤、海水淡化、水处理等； （3）特种防护—生化防护服、防毒面具、医疗防护服、特种工作服等； （4）能源电子—储能材料和电池隔膜； （5）生物医疗—生物传感器、组织工程支架、创伤敷料、药物传输载体、人造器官/血管，手术缝合线、医用口罩等等； （6）其它应用—包括吸声防噪、化妆用品、太阳镜、太阳帆等。
静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究
建设科技 ∣ 81部品技术与应用 建设科技CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 2018年11月上 总第371 期1 前言 随着现代化进程的加快，污染问题也越来越严重。 空气中漂浮的颗粒物浓度超标，由此形成的雾霾天气不 仅影响人们的生活，更是严重危害人民的身心健康；水 资源的匮乏也使得污水处理问题引起人们的极大关注。 因此，开发出有效拦截污染物的过滤材料是全世界共同 的目标。静电纺制备的纤维直径可达到微纳米级，且纤 维直径在一定的程度上可以进行有效调控，大到几微米 小到几十纳米。静电纺丝纳米纤维因其优良的性能被引静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究 方梦珍1 张弘楠1 覃小红1 匡宁2 （1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.中材科技股份有限公司，江苏南京 210012） [摘要]静电纺丝纳米纤维膜具有很高的比表面积、孔隙率和通透性，在多个领域都有着不可替代的作用，尤其是过滤领域。本文简要介绍了近年来国内外静电纺丝纳米纤维膜在空气过滤和液体过滤领域中的研究进展。项目团队在功能型纳米纤维过滤材料研究及产业化方面取得的研究成果，展望了未来在被动式建筑室内空气质量提升方面的应用趋势。 [关键词]静电纺丝；纳米纤维膜；空气过滤；液体过滤；被动式建筑 Progress in Application of Electrospun Nanofibrous Membranes for Filtration Fang Mengzhen 1, Zhang Hongnan 1, Qin Xiaohong 1, Kuang Ning 2 (1.College of Textile of Donghua University, Shanghai, 201620; 2.Sinoma Science & Technology Co., Ltd., Nanjing, 210012, Jiangsu) Abstract : Electrospun nanofibrous membranes enjoy high specific surface area, porosity and permeability, and have an irreplaceable role in many fields, especially in the field of filtration. This review briefly summarizes the progress on application of electrospun nanofibrous membranes in the field of air filtration and liquid filtration in recent years as well as the achievements of the project team in the research and industrialization of functional nanofiber filtration materials. The application trend to improve indoor air quality in passive buildings in the future is prospected. Keywords : Electrospun, nanofibrous membrane, air filtration, liquid filtration, passive buildings 入过滤领域，表现出极大的优势。2 静电纺丝的发展静电纺丝即高分子流体在电场下受到静电力而拉伸成丝的过程，最终固化形成纤维。其最早可以追溯到18世纪中，一种牛顿流体的静电雾化。但是真正被世人认可的静电纺丝的开端是1934年Formhals 申请的关于纺丝装置的专利[1-3]，这是首次利用高压静电制备纤维的装置，其专利详细描述了高分子溶液如何在高压DOI: 10.16116/https://www.360docs.net/doc/ee1036625.html,ki.jskj.2018.21.014
静电纺纳米纤维用于组织再生(莫秀梅)
静电纺纳米纤维用于组织再生 莫秀梅,东华大学化学化工与生物学院 1.背景和前言 1.1.理想的组织工程支架需要有天然细胞外基质的纳米丝结构 1.在临床上每天都可以见到许多组织缺损的问题，组织工程学和转化医学的发展为组织缺损的修复和再生提供了有效途径，然而组织再生的关键是要为缺损组织提供一个暂时的替代支架，暂时替代原有组织，诱导细胞的长入和新组织的形成，待组织形成后支架在体内降解。已有的组织工程支架制备方法适用于一些大的组织象骨和软骨支架的制备，但是对一些精细的和具有功能性的组织，象血管和神经等还没有制备出理想的组织再生支架。仿生功能化静电纺纳米纤维为这些精细组织工程支架的制备提供了新思路和新方法，使组织工程支架发展进入了一个新的阶段，即纳米仿生组织细胞间质(细胞外基质)的阶段。实际上人体内细胞外基质本质上是由蛋白和糖氨聚糖(GAGs)复合而成的纳米纤维凝胶网络，纤维直径通常为50-300nm[Piez KA,1984]。人体组织就是细胞镶嵌在这些纳米纤维凝胶网络中，见图1。细胞通过细胞膜上的受体系统与细胞外基质上的配体特异性结合并对外界信号做出反应，影响细胞行为。组织工程支架材料就是要起到仿生组织细胞间质的作用。另外,若支架材料的骨架尺寸过大时,在组织的形成过程中,因不能适时降解常有阻断组织有序调整的现象,有时只能形成疤痕,达不到再生有序组织的目的。这又对支架材料提出了新的要求，即尽可能的与组织的细胞间质相似。有实验证明当支架材料的骨架尺寸大小从毫米级降到微米级纤维时,那种有碍组织有序调整的现象明显消失[Kim B-S,1998]。最近
已发现纳米纤维结构已明显改善了组织工程支架材料在骨、软骨、心血管、神经和膀胱再生上的应用，减少了疤痕的形成[Patch K,2003]。 研究表明，纳米材料对细胞行为有显著影响。Pattison等[Pattison MA,2005]采用纳米级PLGA支架接种平滑肌细胞体外构建组织工程膀胱，发现与传统微米级支架相比，细胞在小于自身尺度的纳米支架上具有更好的粘附和生长能力，且能分泌更多的胶原和弹性蛋白。Elias等[Elias KE,2002]的研究也证实了成骨细胞的增殖能力随着碳纳米纤维的直径减小而增强，且碱性磷酸酶和钙质的分泌也随纤维直径减小而增多。2005年，Stevens等[Stevens MM,2005]在Science上撰文比较了不同的支架结构对细胞行为的影响，认为细胞以平铺的方式黏附于微米级支架上，且伸展方式与在平整表面上类似。而纳米级支架（如纳米纤维）更大的表面积有利于吸附更多的蛋白质，能够为细胞膜上的受体提供更多的黏附位点，吸附的蛋白质也可通过改变构象暴露更多隐蔽的黏附位点，从而有利于细胞黏附和增长（图2）。因而以纳米纤维制备的细胞支架能仿生人体内细胞外基质的物理结构，促进组织的再生。 1.2.静电纺纳米纤维能仿生组织细胞外基质的结构和功能 静电纺纳米纤维仿生细胞外基质用于组织工程在近些年受到特别关注，利用静电纺能够将几乎所有的组织工程材料纺成纳米纤维，包括合成高分子材料，如PLA、PGA、PCL及其共聚物和天然高分子材料，如胶原、明胶、纤维蛋白、蚕丝、蜘蛛丝等天然蛋白质和壳聚糖、透明质酸、纤维素等多糖类材料[Yoshimoto H,2003][Min Byung-Mo,2004]，对同一种材料又可以控制得到纤
静电纺丝
静电纺丝发展历史 在基础研究逐渐成熟的同时，静电纺纳米纤维的工程化应用也得到了持续不断的研究，静电纺纳米纤维的应用领域包括环境治理、个体防护、生物医疗、清洁能源、国防军工等。当前，静电纺纤维的商业化产品主要有空气过滤材料（如口罩、工业滤纸、防雾霾窗纱等）、水过滤用超滤膜材料、防水透湿面料、电池隔膜等。 静电纺纤维材料在各应用领域的发展现状
静电纺丝是一种技术水平高、产品附加值大的高端制造技术，极具发展潜力，但国内在静电纺丝方面的研究起步较晚。20世纪30年代到80年代期间，静电纺丝技术发展较为缓慢，科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上，发布了一系列的专利，但是尚未引起广泛的关注。 进入90年代，美国阿克隆大学Reneker研究小组,对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。 特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界,都对此技术表现出了极大的兴趣。此段时期，静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段： ?第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性,和纺丝过程中工艺参数对 纤维直径,及性能的影响以及工艺参数的优化等； ?第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化,及结构的精细调 控； ?第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等 领域的应用； ?第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。 静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。 目前，与静电纺丝相关的科研院所及企业已覆盖全国32个省、市、区。
国外高技术企业如德国Freudenberg、美国Donaldson、日本Fuence 等公司均拥有制备商业化静电纺纤维产品的核心技术。而我国在静电纺纤维产品开发方面存在企业规模小、零散度大、自主研发能力弱等问题，导致相关产品主要依赖进口。而聚纳达（青岛）科技有限公司则是一家以静电纺丝技术为主的中外合资企业，系英国皇家工程院院士西拉姆Seeram Ramakrishna与国内顶尖静电纺丝技术团队共同创办的高新技术企业。 静电纺丝技术如何应用 ●在生物医学领域，纳米纤维的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的 结构和生物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因此，其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。 ●纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高，因而，降低纤维直 径成为提高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点，使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。
静电纺丝制备纳米纤维
静电纺丝制备MWNTs 高度取向的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维 刘大伟，李旭，李刚，杨小平 北京化工大学有机/无机复合材料国家重点实验室，北京，100029 CFRP 复合材料在航天航空领域的广泛应用要求其具有良好的强度及韧性[1，2]，然而单向纤维增强树脂基复合材料在垂直于纤维的方向力学性能较差，层间强度低，影响了CFRP 的 整体性能。本课题组采用静电纺丝的方法将MWNTs-Epoxy 预分散在纺丝液中[3]，制备 PSF/MWNTs-Epoxy 杂化的纳米纤维膜，以碳纤维预浸布包覆的辊筒作为静电纺丝的接收器，通过将预浸料按照不同角度铺放于辊筒上以接收纳米纤维,来控制碳纳米管在复合材料中的取向，最终实现复合材料性能的可设计性。我们考察了MWNTs 环氧化改性效果，研究了不同MWNTs-Epoxy 含量对PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维膜微观形貌的影响。研究成果可总结为以下两方面:1)利用纯化、混酸化、环氧化等手段制备了MWNTs-Epoxy 。官能化MWNTs-Epoxy 的环氧基团接枝率为24.87%。MWNTs-Epoxy 在静电纺丝液中分散良好，且静电纺丝液的表面张力和电导率随MWNTs-Epoxy 含量的增加而提高。2)随着MWNTs-Epoxy 含量的升高，通过SEM 、TEM 照片可以看出，PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维的直径逐渐减少，通过取向红外和拉曼谱图研究发现PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维以及嵌于其内部的MWNTs-Epoxy 的取向度逐渐提高。MWNTs-Epoxy 良好的分散于PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维轴向位置。 图 1 5wt% MWNTs-Epoxy 含量的PSF/MWNTs-Epoxy 杂化纳米纤维取向表征图 （a ）SEM 照片（b ）TEM 照片（c ）取向红外谱图（d ）偏振拉曼谱图 本研究为江苏省自然科学基金（BK2011227）资助 参考文献： [1] Williams JC, Starke Jr EA. Progress in structural materials for aerospacesystems. Acta Metall 2003;51(10):5775–99. [2] Ahmed K, Noor AK, Venneri SL, Donald B, Paul DB, Hopkins MA. Structurestechnology for future aerospace systems. J Comput Struct 2000;74:507–19. [3] Gang Li , Xiaolong Jia , Zhibin Huang , Bo Zhu , Peng Li , Xiaoping Yang , Wuguo Dai. Prescribed morphology and interface correlation of MWNTs-EP/PSF hybridnanofibers reinforced and toughened epoxy matrix, Materials Chemistry and Physics 134 (2012) 958-965 10μm 10μm (a) (b) (c) (d) 10μm
膜蒸馏用静电纺纳米纤维膜的制备及应用进展
第33卷第4期高校化学工程学报No.4 V ol.33 2019 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2019文章编号：1003-9015(2019)04-0786-14 膜蒸馏用静电纺纳米纤维膜的制备及应用进展 李红宾1, 石文英1,2, 杜启云3, 訾兴晨1 (1. 河南工程学院纺织学院, 河南郑州 450007; 2. 河南工程学院纺织新产品开发河南省工程实验室, 河南郑州 450007; 3. 天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室, 天津 300387) 摘要：热驱动的膜蒸馏技术以其极高截留率和较温和操作条件成为膜分离领域的一个重要分支。相较于传统相转化 分离膜，静电纺纳米纤维膜由纳米纤维网络组成，比表面积及孔隙率更高且为互相贯通的开孔结构，能显著减小蒸汽 传质阻力，提高水通量，有效突破膜蒸馏技术通量低的限制。但特殊的静电纺丝工艺使得高通透的纳米纤维膜面临着 更严重的机械稳定性恶化及膜污染问题。从静电纺纳米纤维膜材料、膜制备、膜结构、改性技术、膜污染及膜蒸馏应用 等6方面对近些年膜蒸馏用静电纺纳米纤维膜进行综述，并对其在膜蒸馏应用中亟需深入研究的内容及前景进行展望。 关键词：膜蒸馏；纳米纤维膜；静电纺；疏水化；膜污染 中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2019.04.003 Review on preparation and application of electrospun nanofiber membranes for membrane distillation LI Hong-bin1, SHI Wen-ying1,2, DU Qi-yun3, ZI Xing-chen1 (1. School of Textiles Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 450007, China; 2. Henan Engineering Laboratory of New Textiles Development, Henan University of Engineering, Zhengzhou 450007, China; 3. State Key Laboratory of Separation Membrane and Membrane Processes, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China) Abstract: Thermally driven membrane distillation is an important branch of membrane separation for its extremely high rejection and mild operation conditions. Compared with traditional separation membrane obtained via phase version processes, electrospun nanofiber membranes are composed of nanofiber network and has higher specific surface area and porosity with open porous structures. It can significantly reduce vapor mass transfer resistance, improve membrane water flux and effectively break through technical limitation of low membrane distillation flux. Special electrospinning technology results in highly permeable nanofiber membranes with problems of mechanical stability deterioration and membrane fouling. Development of electrospun nanofiber membrane material, preparation process, structure, modification technology, membrane fouling and its application in membrane distillation in recent years are reviewed and discussed. In addition, perspective areas in membrane distillation application are prospected. Key words: membrane distillation; nanofiber membrane; electrospinning; hydrophobicity; membrane fouling 1引言 膜蒸馏(membrane distillation，MD)是一种使用多孔疏水膜作为分离介质，以膜两侧水蒸汽压差作为 收稿日期：2018-09-12；修订日期：2018-11-26。 基金项目：国家自然科学基金(51403052)；河南省科技攻关项目(182102210254)。 作者简介：李红宾(1985-)，男，河南新乡人，河南工程学院副教授，博士。通讯联系人：李红宾，E-mail：lihongbin20033421@https://www.360docs.net/doc/ee1036625.html,