纳米纤维的技术进展
微生物燃料电池纳米纤维极材料的研究进展
微生物燃料电池纳米纤维极材料的研究进展一、简述随着全球能源需求的不断增长和环境污染问题的日益严重，寻找清洁、高效的能源替代方案已成为全球科学家和工程师的重要课题。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells, MFCs)作为一种新型的可再生能源技术，因其具有高能量密度、低成本、无污染等优点，近年来受到了广泛关注。
然而MFCs的实际性能受到电极材料的影响，因此研究高性能电极材料对于提高MFCs的能量转换效率具有重要意义。
纳米纤维极材料作为一种新型电极材料，具有比表面积大、导电性好、机械强度高等优点，被认为是MFCs领域的一个重要研究方向。
近年来研究人员通过合成、改性等多种方法制备了一系列纳米纤维极材料，并在MFCs中进行了性能测试。
这些研究表明，纳米纤维极材料可以显著提高MFCs的电流密度和功率密度，同时降低电极材料的体积和重量，从而提高MFCs的性能。
此外纳米纤维极材料还具有良好的耐腐蚀性和生物相容性，有利于实现MFCs的长期稳定运行。
尽管纳米纤维极材料在MFCs领域取得了一定的研究成果，但仍面临着许多挑战，如纳米纤维的可控性不足、电极材料的稳定性差等问题。
因此未来研究需要进一步优化纳米纤维极材料的制备工艺，提高其性能稳定性，以满足MFCs的实际应用需求。
1. 微生物燃料电池的概述；微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种利用微生物(如细菌、真菌等)作为催化剂，通过氧化还原反应将有机物转化为电能的新型能源设备。
自20世纪90年代以来，微生物燃料电池因其具有低成本、无污染、可再生等优点，逐渐受到学术界和工业界的关注。
近年来随着生物技术的发展，微生物燃料电池的研究取得了显著的进展，不仅在理论上得到了深入探讨，而且在实际应用中也取得了重要突破。
微生物燃料电池的核心部件是电极材料，其性能直接影响到电池的性能和稳定性。
因此研究和开发高性能、高稳定性的电极材料对于提高微生物燃料电池的能量效率和使用寿命具有重要意义。
2024年细菌纳米纤维素市场发展现状
细菌纳米纤维素市场发展现状引言细菌纳米纤维素是一种具有广泛应用前景的新兴材料，由于其独特的结构和性质，正在逐渐在各个领域得到应用。
本文将对细菌纳米纤维素市场的发展现状进行分析和总结，探讨其市场前景和潜在的挑战。
细菌纳米纤维素的定义和特点细菌纳米纤维素是一种由细菌合成的纳米级纤维素材料。
与其他纤维素材料相比，细菌纳米纤维素具有以下独特特点：1.高纯度：细菌纳米纤维素具有较高的纯度，不含杂质，能够满足多种高端领域的需求。
2.高强度：细菌纳米纤维素的强度远高于传统纤维素材料，具有优异的机械性能和抗拉强度。
3.可调性：细菌纳米纤维素的结构和性能可以通过调整细菌培养条件进行控制，满足不同应用的需求。
细菌纳米纤维素市场概况目前，细菌纳米纤维素市场正呈现出快速增长的趋势。
主要原因包括：1.应用领域的扩大：细菌纳米纤维素在医疗、纺织、食品和包装等领域的应用需求不断增加，推动了市场的发展。
2.技术进步：近年来，细菌纳米纤维素的合成技术得到了很大的改进，提高了生产效率和纤维素的品质，降低了生产成本。
3.政策支持：政府对于可持续发展和环境友好型材料的政策支持，进一步促进了细菌纳米纤维素市场的发展。
细菌纳米纤维素市场应用前景细菌纳米纤维素在各领域的应用前景广阔，以下为几个主要领域的展示：医疗领域细菌纳米纤维素在医疗领域具有重要应用潜力，可用于制备生物可降解的医用材料，如医用纱布、人工血管等，具有较好的生物相容性和可降解性。
纺织领域由于细菌纳米纤维素具有优异的物理性能和可调性，可用于制作高强度、透气性好的纺织材料。
例如，可用于生产功能性衣物、运动装备等。
食品领域细菌纳米纤维素可用作食品包装材料，具有良好的防潮性和抗菌性，可以延长食品的保鲜期，减少食品浪费。
环境保护领域由于细菌纳米纤维素具有可降解性和可再生性，可用于制备环境友好型材料，如可降解塑料和纸张等，有助于减少对自然环境的污染。
细菌纳米纤维素市场挑战与展望尽管细菌纳米纤维素市场前景广阔，但仍然面临一些挑战：1.生产成本高：目前，细菌纳米纤维素的生产成本较高，限制了其大规模应用。
2024年纳米纤维市场前景分析
2024年纳米纤维市场前景分析引言随着科技的不断发展和人们对高性能材料需求的增加，纳米纤维作为一种新型材料，逐渐引起了人们的关注。
纳米纤维具有独特的结构和优异的性能，在多个领域有着广泛的应用前景。
本文将对纳米纤维市场的发展前景进行分析。
纳米纤维的定义与特性纳米纤维是指直径在纳米级别的纤维状材料。
具有以下特性： - 极细的直径：纳米级尺寸的纤维使其具有更大的比表面积和较高的比强度。
- 高比表面积：纳米纤维的高比表面积使其在吸附、分离和催化等方面具有优势。
- 独特的结构：纳米纤维可以形成多种结构，如纳米纤维膜、纳米纤维网等。
纳米纤维市场的应用领域污水处理领域纳米纤维在污水处理领域有着巨大的应用潜力。
其具有较大的比表面积和高吸附能力，可以用于重金属离子和有机污染物的吸附和去除。
此外，纳米纤维还可以用于污水的分离和过滤，具有良好的过滤效果和较高的通量。
能源领域在能源领域，纳米纤维被广泛应用于锂离子电池、超级电容器等电池材料中。
其高比表面积和导电性能使其在电池的充放电速度和容量等方面具有优势。
此外，纳米纤维还可以用于太阳能电池、燃料电池等领域。
材料领域纳米纤维在材料领域有广泛的应用。
纳米纤维可以用于制备纳米复合材料，提高材料的力学性能和光学性能。
此外，纳米纤维还可以用于纺织品、过滤材料、医疗材料等领域。
纳米纤维市场的发展机遇和挑战发展机遇•市场需求增加：随着科技的迅猛发展，人们对高性能材料的需求越来越大。
•技术进步与创新：纳米纤维制备技术不断进步，新的纳米纤维材料不断涌现。
发展挑战•成本控制：纳米纤维制备过程中的高昂成本限制了其在大规模应用中的普及。
•稳定性与可靠性：纳米纤维的稳定性和可靠性问题需要进一步解决才能推动其应用。
纳米纤维市场的前景分析纳米纤维市场具有广阔的前景和潜力： - 市场规模扩大：纳米纤维在多个领域的广泛应用推动了市场规模的扩大。
- 技术创新的驱动：不断提升的制备技术和新型纳米纤维材料的涌现，将进一步推动市场发展。
2024年纳米纤维素市场发展现状
2024年纳米纤维素市场发展现状概述纳米纤维素是一种新兴材料，具有出色的物理和化学性质，因此在众多领域中具有广泛应用的潜力。
本文将对纳米纤维素的市场发展现状进行综合分析，并探讨其未来发展趋势。
市场规模目前，纳米纤维素市场正呈现出快速增长的趋势。
随着对可持续发展和环境友好型材料需求的不断增加，纳米纤维素作为一种可再生绿色材料备受关注。
根据市场研究报告，纳米纤维素市场的年复合增长率预计将在未来几年内保持在两位数以上。
应用领域纳米纤维素在众多领域中都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：纳米纤维素在纸浆和纸张行业的应用纳米纤维素的添加可以改善纸浆和纸张的物理性能，如强度、透气性和光泽度等。
此外，纳米纤维素还可以增加纸张的吸墨性和耐久性。
这些优势使得纳米纤维素在纸浆和纸张行业中具有巨大的市场潜力。
纳米纤维素在纺织业的应用纳米纤维素可以用于纺织品的制备，以增强纺织品的强度和耐久性。
由于其优异的物理性能，纳米纤维素可以制造出更柔软、透气和舒适的纺织品，对人体皮肤更加友好。
因此，在纺织业中广泛应用纳米纤维素是一个趋势。
纳米纤维素在食品包装行业的应用纳米纤维素可以制作出具有优异的屏障性能的包装材料，以延长食品的保鲜期和防止食品变质。
此外，纳米纤维素还具有很好的抗菌性能，可有效杀灭食品中的细菌，提高食品的安全性。
因此，纳米纤维素在食品包装行业有着广阔的市场前景。
技术挑战虽然纳米纤维素市场前景广阔，但其应用仍面临一些技术挑战。
其中主要包括：生产成本目前，纳米纤维素的生产成本仍然较高。
要大规模应用纳米纤维素，需要降低其生产成本，并提升生产效率。
标准化纳米纤维素的生产和应用还缺乏统一的标准和规范，这给市场发展带来一定的阻碍。
制定纳米纤维素的标准和规范有助于促进其市场化进程。
环境影响纳米纤维素的制备过程可能会对环境造成一定的影响，例如消耗大量的能源和水资源。
因此，发展环保型的纳米纤维素制备技术是一个重要的挑战。
发展趋势尽管纳米纤维素市场仍面临一些挑战，但其未来发展仍然令人期待。
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展静电纺丝技术是一种基于静电吸引原理制备纳米纤维膜的方法，近年来得到了广泛的关注和研究。
它能够将聚合物溶液通过高压电场形成纤维，并沉积在基板上制备出纳米纤维膜。
由于其简单、低成本、高效率等优点，静电纺丝技术在许多领域，如材料科学、纺织工程、生物医学等方面都得到了广泛的应用和发展。
在静电纺丝技术制备纳米纤维膜方面，研究人员主要集中在改进纺丝设备和优化纺丝工艺、探索新型纺丝材料、功能化纳米纤维膜的制备以及应用等方面。
这些研究进展为纳米纤维膜的制备提供了许多新的途径和可能性。
首先，纺丝设备及工艺的改进是静电纺丝技术发展的关键。
目前的静电纺丝装置通常采用高压发生器和喷嘴构成，但存在纤维直径分布不均匀、纤维动态不稳定等问题。
为了克服这些问题，研究人员通过改变电场设置和流体控制来实现纺丝参数的调节，如电压、喷嘴直径、溶液浓度等，以改善纤维的均匀性和稳定性。
此外，研究人员还尝试使用旋转喷嘴、多孔板等新型装置，以进一步提高纺丝效果。
其次，纺丝材料的选择和改进也对纳米纤维膜的制备至关重要。
传统上，聚合物是纺丝材料的主要选择，如聚丙烯、聚乳酸等。
近年来，研究人员还开始尝试使用天然聚合物、无机纳米颗粒和功能性添加剂等作为纺丝材料，以获得具有特殊性能的纳米纤维膜。
例如，天然聚合物纳米纤维膜具有优异的生物相容性和可降解性，在医学领域有很大的应用潜力。
此外，纳米纤维膜的功能化制备也是当前研究的热点之一。
通过添加纳米颗粒、导电材料、抗菌剂等，可以使纳米纤维膜具备光催化、导电、抗菌等特殊功能。
例如，加入二氧化钛纳米颗粒的聚丙烯纳米纤维膜在光催化降解有机污染物方面显示出良好的性能。
此外，添加导电剂可以赋予纳米纤维膜导电性能，拓展其在传感器、光电器件等领域的应用。
纳米纤维膜在许多领域中具有广泛的应用前景。
在过滤分离领域，纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙度，可以用于气体过滤、水处理等。
此外，纳米纤维膜的高比表面积和纤维间的微米级孔隙结构也使其在能量储存和催化领域有着重要的应用。
纳米纤维素研究及应用进展
纳米纤维素研究及应用进展纳米纤维素是一种由植物细胞壁提取或微生物发酵得到的生物质材料，具有独特的纳米级尺寸和出色的物理、化学性能。
近年来，纳米纤维素因其出色的生物相容性、可降解性以及在能量储存、药物传递、环境治理等方面的应用潜力，受到了广泛。
本文将概述纳米纤维素的研究背景和意义，并详细介绍其制备方法、应用进展、研究现状与挑战以及未来应用前景。
纳米纤维素的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法。
物理法主要包括高压静电纺丝、超临界流体纺丝等；化学法主要包括酸解、氧化还原等；生物法则利用微生物或植物细胞壁提取。
不同制备方法得到的纳米纤维素在形貌、尺寸和性能上略有差异。
纳米纤维素在许多领域中都有着广泛的应用。
在生物医学领域，纳米纤维素因其生物相容性和可降解性，可用于药物载体、组织工程和生物传感器等。
在能源领域，纳米纤维素可作为电极材料用于超级电容器和锂离子电池等。
纳米纤维素在环保、材料科学等领域也有着广泛的应用。
当前，纳米纤维素研究面临着许多挑战。
制备方法的优化和绿色生产是亟待解决的问题。
化学法制备过程中产生的废弃物可能会对环境造成污染，因此需要开发环保、高效的制备方法。
纳米纤维素的尺度、形貌和性能调控是研究的重要方向。
纳米纤维素的量产化、应用领域的拓展以及其在复合材料中的作用机制等方面也需要进一步探索。
随着科技的不断进步，纳米纤维素的应用前景十分广阔。
在生物医学领域，纳米纤维素作为药物载体和组织工程材料的应用将进一步拓展。
在能源领域，随着可再生能源需求的增加，纳米纤维素作为储能材料的应用前景将更加明朗。
纳米纤维素在环保、材料科学等领域也将发挥更重要的作用。
纳米纤维素作为一种重要的生物质材料，具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。
随着对纳米纤维素制备、性能和应用研究的深入，其在生物医学、能源、环保、材料科学等领域的应用将进一步拓展。
未来，纳米纤维素的研究将更加注重绿色生产、可持续性和规模化应用，为推动纳米科技和生物质材料的发展提供新的机遇和动力。
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米材料的应用领域也越来越广泛，其中纳米纤维作为一种新型材料备受关注。
静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的有效方法，其应用范围也越来越广泛。
本文将介绍静电纺丝制备纳米纤维的研究进展。
1. 静电纺丝技术概述静电纺丝技术是一种利用静电场将高分子材料制备成纳米纤维的方法。
该技术具有工艺简单、操作方便、成本低、制备纤维直径可调等优点。
静电纺丝技术离不开两个基本元素：溶液和电场。
高分子材料被溶解在溶液中，经过特定的处理后，在电场的作用下开始拉伸，形成纳米直径的纤维。
2. 静电纺丝技术的优缺点静电纺丝技术在制备纳米纤维方面具有以下优点：①纳米纤维可以制备成连续的纤维丝，其长度可达数百米以上，比传统制备方法的纤维连续性更好；②纳米纤维直径可在10纳米至数微米之间调节；③制备成纳米纤维的材料具有极高的比表面积和孔隙度，这些特性使得其在耐热性、膜分离、天然气储存等方面具有广泛的应用前景。
但是，静电纺丝技术也存在一些缺点：①纤维纳米化会导致纤维的拉伸力和断裂十分容易，因此在制备过程中需要控制拉伸度，避免出现纤维过于脆弱导致纤维丝断裂；②由于溶剂挥发以及电场造成的电荷分布不均，容易导致制备的纳米材料出现不均匀性和不稳定性。
3. 静电纺丝技术的进展目前，在静电纺丝技术领域已有许多研究成果。
例如，在制备金属氧化物、生物纳米纤维、纳米复合材料、药物等方面都有广泛的应用。
例如，学者们在制备PCL（聚己内酯）纳米纤维过程中，将X射线光谱法和原子力显微镜（AFM）技术结合，探究了纤维的结构、力学性能和表面形貌等。
研究结果表明，纤维直径的变化可以显著改变材料的力学性能。
在另一项研究中，学者们使用静电纺丝技术制备出药物包被的聚乳酸（PLA）纳米纤维，实现了药物的缓慢释放，有望在医药领域得到应用。
4. 静电纺丝技术未来发展随着人们对纳米材料需求的增加，静电纺丝技术的应用前景也越来越广阔。
亚微米-纳米纤维的技术进展及应用现状
亚微米－纳米纤维的技术进展及应用现状文 | 芦长椿作者简介：芦长椿，男，1941年生，高级工程师。
作者单位：全国化纤新技术开发推广中心。
The Current Status of Submicro-nanofibers Technology and Application摘要：纳米纤维具有独特性能，可广泛用于环境修复、过滤与分离、能源生产与贮能、电气和光学传感器、组织工程以及药液控释等领域。
静电纺丝法是目前纳米纤维生产最常用的技术之一，但其生产效率较低，大规模生产的制约因素较多。
针对此，文章介绍了几种生产亚微米－纳米纤维的新技术，如离心纺丝工艺、熔法纳米纤维工艺及其杂化工艺等。
关键词：亚微米－纳米纤维；静电纺丝；杂化工艺；离心纺丝中图分类号：TQ340.64 文献标志码：AAbstract: Nanofibers have specific features and are widely used in several applications including environmental remediation, filtration, energy production and storage, electronic and optical sensor, tissue engineering as well as drug delivery. Since electrospinning is limited by its low productivity and unable for mass production due to restriction factors, this paper introduces the new production technology of submicro-nanofibers technology, such as centrofugal spinning, melt-spun nanoweb and hybrid nanofibers.Key words: submicro-nanofibers; electrospinning; hybrid; centrofugal spinning过去10余年，高性能聚合物技术取得了巨大进步，其中，纳米纤维和纳米纤维素材料的开发和应用研究受到广泛重视。
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纳米纤维的技术进展赵婷婷 张玉梅 (东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海,200051)崔峥嵘 (辽阳石化分公司,辽阳,111003)王华平 (东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海,200051)摘 要:本文简单介绍了纳米纤维的定义、特点和应用,主要讨论了纳米纤维的制备方法,包括传统纺丝方法(如:静电纺丝法、复合纺丝法和分子喷丝板法)的改进以及新兴的生物合成法和化学合成法。
关键词:纳米纤维,技术,进展,生物合成,化学合成中图分类号:TS1021528 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2003)10-0038-051 前言纳米纤维是直径1nm～100nm的纤维,此为狭义的纳米纤维的定义。
广义地说,零维或一维纳米材料与三维纳米材料复合而制得的传统纤维,也可以称为纳米复合纤维或广义的纳米纤维。
更确切地说,这种复合纤维应称为由纳米微粒或纳米纤维改性的传统纤维。
纳米纤维最大的特点就是比表面积大,导致其表面能和活性的增大,从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等,在化学、物理(热、光、电磁等)性质方面表现出特异性。
纳米纤维广泛应用在服装、食品、医药、能源、电子、造纸、航空等领域。
一方面,纳米纤维的广泛应用,对纳米纤维的制备技术提出了新的要求,同时也为纳米纤维制备技术的发展提供了新的发展空间;另一方面,纳米纤维制备技术的不断创新与发展,也使得纳米纤维的种类不断推陈出新,其性能和功能也得以进一步的体现和应用。
本文主要讨论一维纳米纤维制备技术的进展情况。
收稿日期:2003-05-20作者简介:赵婷婷,女,1980年生,在读硕士研究生。
主要从事细菌纤维素的研究。
2 传统纺丝方法的改进2.1 静电纺丝法[1～4]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,于是得到纤维状物质,这一过程简称电纺。
目前电纺技术已经用于几十种不同的高分子,即包括大品种的采用传统技术生产的合成纤维,如:聚酯、尼龙、聚乙烯醇等柔性高分子的电纺,包括聚氨酯弹性体的电纺以及液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等的电纺。
此外,包括蚕丝、蜘蛛丝在内的蛋白质和核酸(DNA)等生物大分子也进行过电纺实验。
尽管所用的材料十分广泛,但是目前电纺纤维总是以在收集板负极上沉积的非织造布的形式而制得的,其中单纤维的直径可以随加工条件而变化,典型的数值为40nm～2μm,甚至可以跨越10nm～10μm的数量级,即微米、亚微米或纳米材料的范围。
电纺纤维最主要的特点是所得纤维的直径较细,新形成的非织造布是一种有纳米微孔的多孔材料,因此有很大的比表面积,有多种潜在用途。
但是,目前的电纺技术在推广上存在一定技术问题:第一,由于静电纺丝机设计的构型,此法得到的只能是非织造布,而不能得到纳米纤维彼此可分离的长丝或短纤维;第二,目前静电纺丝机的产量很低,其产量典型值为1mg/h～1g/h的范围,难以大规模应用;第三,由于多数条件下静电纺丝中的拉伸速率较低,纺丝路程很短,因此在这一过程中高分子取向发展不完善,结果电纺纳米纤维的强度较低。
目前对电纺进行改进可以提高其产量,其中转子纺丝机则是在原有静电纺丝机上使用多头喷丝来提高电纺产量;另一种改变使电纺流体带电荷的方法是等离子放电法或电荷直接注入法,例如电晕放电或场发射电子枪。
采用这一类新方法,电纺中纺丝液的流量可达50ml/s,比实验纺丝机产量提高了几个数量级。
2.2 复合纺丝法[1]将复合纺丝法生产的超细纤维推向极至,可以得到纳米纤维。
例如,美国Hills公司的超微细旦纺丝技术,在每根海岛纤维上有900个岛,经过充分拉伸使岛相成为纳米直径的微原纤,再将海相用溶剂洗去,剩下的即是纳米或亚微米纤维。
日本东丽公司用此法得到0.0011dtex的纳米纤维(约100nm),这种纤维的织物完全达到麂皮的效果。
2.3 分子喷丝板法[2]分子喷丝板由含盘状物构成的柱形有机分子结构的膜组成,盘状物在膜上以设计的位置定位。
盘状物是一种液晶高分子,是由近年来聚合物合成化学发展而来的。
聚合物分子在膜内盘状物中排列成细丝,并从膜底部将纤维释放出来。
盘状物特殊的设计和定位使它们能吸引和拉伸某种聚合物分子,并将聚合物分子集束和取向,从而得到所需结构的纤维。
3 生物合成法实际上,自然界中一直存在着纳米纤维,由于受到人们对自然界认识和研究条件的限制,只是在最近二十年中才得以认识并受到重视,特别是天然纤维对人类及环境的友好性,更促进了科学界对天然纳米纤维的研究。
其中,蜘蛛丝和细菌纤维素纤维是较典型的例子。
3.1 蜘蛛丝[1]较细的蜘蛛丝直径只有100nm的数量级,是真正的天然纳米纤维。
蜘蛛丝是自然界产生的最好的结构材料之一,从某种程度上讲,蜘蛛丝的优良综合性能是各种天然纤维与合成纤维所无法比拟的,其比模量优于钢而韧性优于Kevlar纤维。
蜘蛛丝优异的力学性能源于其链状分子的特殊的取向和结晶结构。
晶粒尺寸为2nm×5nm ×7nm的微晶体分散在蜘蛛丝无定形蛋白质基质中起到了极好的增强作用。
2002年1月,加拿大Nexia生物技术公司(NXB)与美国陆军战士生物化学指挥部(SBC2 COM)的科学家合作,成功地模仿了蜘蛛产丝。
他们采用蜘蛛基因,制备了重组的蜘蛛丝蛋白质,并用这种蛋白质与水组成的体系完成了接近于天然蜘蛛丝的蛋白质组成和纺丝的过程,从而生产出世界上首例“人造蜘蛛丝”。
该公司将人造蜘蛛丝的商品名定为BioSteel,一方面强调这种生物大分子材料强韧性胜于钢,另一方面暗示其生产过程与炼钢一样没有溶剂污染环境,这是目前传统化纤溶液纺丝很难达到的。
这一重大成果是Nexia公司科学家十年努力的结果,是人类对高性能纤维进行“绿色”生产的一个新里程碑。
表1 人造蜘蛛丝与天然蜘蛛丝力学性能的比较[1]样 品拉伸介质拉伸比韧性(cN/dtex)模量(cN/dtex)断裂伸长(%)强度(cN/dtex)ADF23①样品1M/W②50.78937.759.6 1.68 ADF23样品2M/W50.75097.543.4 1.99 ADF23样品3M40.56955.745.0 1.59天然蜘蛛丝空气不详0.5～1.234～6719～30612～917 注:①ADF23为十字圆蛛(araneus diadematus)重组蛋白质所纺的纤维。
②M代表70%～80%甲醇,W代表水。
与天然蜘蛛丝进行比较的结果显示目前人造蜘蛛丝力学性能还较差。
但是,只要对纺丝过程进行优化处理,着重提高纤维的取向度,在不久的将来人造蜘蛛丝的综合力学性能将达到天然蜘蛛丝的水平。
3.2 细菌纤维素近年来出现了一个正在受到材料科学界关注的新成员,即木醋杆菌(Acetobacter xylinum ,简称Ax )等菌类产生的细菌纤维素(简称BC )。
1886年Brown 最先对细菌纤维素的形成过程和形态做了报道。
Ax 菌细胞壁侧有一列50个～80个轴向排列的小孔,在适宜条件下每个细胞每秒钟可将2×105个葡萄糖分子以β21,42糖苷键相连成聚葡糖,从小孔中分泌出来,最后形成直径为1.78nm 的纤维素微纤丝(cellulose microfibrils ),并随着分泌量的持续增加平行向前延伸。
相邻的几根微纤丝之间由氢键横向相互连接形成直径为3nm ～4nm 的微纤丝束(bundle )。
微纤丝束进一步伸长,束间仍由氢键相互连接,多束合并形成一根长度不定,宽度为30nm ～100nm ,厚度为3nm ～8nm 的细菌纤维丝带(ribbon ),其直径和宽度仅为棉纤维直径的百分之一～千分之一[5～7]。
图1 纳米细菌纤维的SEM 照片Ax 菌在细胞分裂过程中,紧密相连的纤维素丝带随着体壁不断延伸而增长,并且不会随着细胞分裂而脱落。
纤丝带互相交织形成不规则网状或絮状结构,在液面形成凝胶状菌蹼。
每个菌体犹如一只梭子,在培养液上层自行编织成天然的非织造布。
Ax 纤维素的结晶结构约60%为Iα型,40%为I β型(I α型:每个晶胞内有一条三斜晶结构的纤维素链;I β型:每个晶胞内有两条单斜晶结构的纤维素链),而棉麻等植物的纤维素仅30%为I α型,70%为I β型,其他木本植物纤维素也以I β型为主。
I α型属于亚稳定状态,这可能是由于Ax 纤维素的较强化学衍生性对纤维素酶敏感所致。
与植物来源的纤维素相比,细菌纤维素最突出的优点,一是木醋杆菌产生的纤维素极纯,是100%的纤维素,不含半纤维素、木质素和其他细胞壁成分,提纯过程很简单;二是细菌纤维素不同于植物纤维素,具有优越的物理性质和机械性能如高结晶度、高聚合度和优良的分子取向,机械强度高,细菌纤维素经洗涤、干燥后,杨氏模量可达10MPa ,经热压处理后,杨氏模量可达30MPa ,比有机合成纤维的强度高四倍。
由于其内部有很多“孔道”,又有良好的透水、透气性能,具有很强的亲水性,能吸收60倍～700倍于其干重的水分,即有非凡的持水性,并具有高湿强度。
发酵生产细菌纤维素主要有两种方法:一种为静置培养,另一种为搅拌发酵。
目前,虽然已发现少数菌株也可在振荡培养条件下产出纤维素,但是绝大部分高产菌株均适于在静态培养条件下产纤维素,其纤维素聚合度、杨氏模量均大大高于振荡培养产物[8],理化性状也好于振荡培养物。
而传统的液盘静态培养法的生长方式和纤维素产生方式,从经济效益方面考虑是不可行的,因此改进发酵工艺以得到理想的纤维素产品已成为细菌纤维素应用研究的热点[9～10]。
日本的Okiyam 和Shirae 采用了两步发酵法来优化纤维素产生过程。
首先细胞在气生式发酵罐中培养三天,以形成大量的菌体,然后转移到有格子的容器中进行静态培养,这样可得到很好的胶状膜。
另一种方法是循环连续培养,这是一种带有分离器的连续培养装置。
分离器是一种浮选装置或是一种过滤器,可把纤维状物质同细胞、培养液分离开来。
这一装置不仅提高了纤维素的产量,而且使纤维素的分离更加简便,培养液中纤维素的浓度将在10g/L 以下。
由于细菌纤维素具有良好的亲水、持水性、凝胶特性,可制成特殊的人造皮肤、纱布、绷带和创可贴等伤科敷料产品[5,11～13]。
另外,细菌纤维素还完全不被人体所消化的特性,使之成为一种很具吸引力的食品基料和保健食品。
将细菌纤维素加入纸浆,还可提高纸张的强度和耐用性而造出高品质的特殊用纸,如用于流通货币的特级纸。
4 化学合成法纳米纤维性能优异,但传统的方法难以制备小于100nm 的纤维,而依靠生物合成的纤维也仅仅局限于很少量的品种,因此科学家们设法寻求化学合成的技术方法,在合成过程中直接形成纳米尺寸的纤维。