纳米纤维的制备及应用

特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• Bognitzki 等人采用了管纤维模板（TUFT） 工艺对PLA进行静电纺丝，成功制备了聚合 物/金属功能性纳米管。TUFT工艺过程就是 先用化学气相沉淀法使PLA纤维表面附着一 层聚ρ-亚二甲苯，然后再涂敷上一层目的金 属，最后热分解PLA纤维内芯，制备中空纳 米管
Nano Fiber
• 日本在纤维的多功能、高功能及环境保护 方面的研究处于世界领先地位。 • 以下介绍日本技术开发机构（NEDO）有关 纳米纤维的研究开发项目及调查状况。
顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 该项目在给人民带来丰富而舒适生活的目 标下，为实现高度信息化社会、节约能源、 安全健康长寿的社会目标，以科学为基础， 通过革新的材料创新技术来实现上述目标。
亚微米级专用过滤基材
• 以聚丙烯纺粘无纺布为基质，尼龙66静电 纺丝纳米纤维网为主体的新型复合过滤材 料，当用量仅是其他过滤材料20%的情况 下，微粒过滤性能依然与性能最好的通用 过滤材料相当。同时由于纳米纤维的荷电 性取决于静电纺丝所采用的聚合物化学特 性，因此静电纺丝工艺也可以用来生产过 滤介质专用的荷电纤维。
纳米材料发展展望
• 静电纺丝纳米纤维的应用性研究重点将会 是生物医学应用（包括人造器官、组织工 程、血管、给药系统、创伤包扎、呼吸面 罩）；过滤、分离膜、防护服；纳米导体 以及纳米纤维材料的复合等。而现在更紧 迫的研究是纳米纤维的应用开发及提供商 业化产品，以尽快占领市场。
纳米纤维的制备及应用
曹根阳 纺织品服用性能
Nano Fiber
• 美国国家卫生基金会(NSF)规定,纳米材料是 指该材料至少有一项尺寸≤100 nm。 • 静电纺丝可以纺出直径在10~10 000 nm的 纤维,所以静电纺纤维可以称为纳米纤维。
Nano瓣纤维分裂法、 海岛纤维溶解法等纺丝方法均可以制造纳 米纤维。 • 静电纺丝是制造纳米纤维最简单的途径。
顶尖功能型新纤维材料基础技术的开发
• 用静电纺丝及纳米熔融分散纺丝技术，对 纤维材料进行纳米级成形加工及表面加工 以及混合运用，使材料高功能化，最大限 度地利用超细纤维的超比表面积效应、纳 米级效应及超分子排列效应的三大效应， 在燃料电池、信息家电、环境能源、医疗 福利、安全等领域，制造革新材料以增强 日本产业的竞争力。
汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 汽车节能符合抑制地球温室效应（CO2削减 排放）的要求，日本正积极探讨燃油降低 问题。燃油降低的有效手段就是减轻车重， 目前汽车制造商在着重探讨由钢向铝等轻 金属材料转换，下一步计划利用先进的复 合材料。
汽车用、轻质碳纤维增强复合材料的研 发
• 碳纤维增强复合材料（CFRP）具有比高强 度钢的比强度更高的轻质效果，被寄予非 常高的期望。目前正积极开发CFRP材料设 计成形技术、组装技术、冲击安全技术以 及回用技术，努力使其达到实用化。
特殊功能化的纳米级导电纤维
• 导电纳米纤维的传导率主要取决于纤维的 形态，如纤维缺陷量和厚度，因此在静电 纺丝过程中可以通过调整聚合物和溶剂的 配合比例来获得不同形态的纤维，从而达 到控制混合纳米纤维传导率的目的。同时 由于纳米级纤维内的结晶缺陷具有特殊的 电学特性，因此可以利用纳米纤维的这一 特性制造纳米级电子仪器。因此导电纳米 纤维在微电子和光电子领域的运用中有着 潜在的优势。
• 聚合物纤维接收板通常是固定的接地金属 平板或格栅，聚合物纤维形成后随意沉积 在接收板上而被收集。这种收集方式的不 足是聚合物纳米纤维只能以无纺布的形式 收集，无法获得彼此分离的纳米纤维丝。
Nano Fiber
• 几乎所有可以溶解于一定溶剂中形成溶液 或能够熔融成熔体的聚合物都可以用来静 电纺丝。
Nano Fiber
• 静电纺丝是一种利 用静电力直接将聚 合物溶液或熔体纺 成纳米纤维的纺丝 过程。
静电纺纤维装置示意图
Nano Fiber
• 在静电纺丝的起始阶段，聚合物流体因表 面张力作用贮积在毛细管内不外流。当外 加电场开始作用于毛细管顶端，流体表面 产生大量静电电荷。毛细管顶端液滴的表 面张力受静电斥力削弱，被逐渐拉长形成 带电锥体，即泰勒锥。
Nano Fiber
• 在静电纺丝装置中，毛细管可以垂直和水 平放置，两者不同之处在于液滴的引发机 理不同。毛细管水平放置时要用活塞泵挤 压毛细管中流体引发液滴，而毛细管垂直 放置时则可以依靠重力作用或泵两种方式 来引发液滴。有时也会以不同的倾斜角度 来放置毛细管以达到控制流体流动特性的 目的。
Nano Fiber
特殊功能化的纳米级导电纤维
• 黄美荣等指出采用静电纺丝法可制得导电 聚合物纳米长丝，其直径取决于纺丝工艺 参数，且导电聚合物纳米纤维的电导率随 直径下降而急剧上升，展示出诱人的性能 及应用前景。如聚苯胺长丝的最小直径已 控制在100 nm以下，聚苯胺分别与聚氯乙 烯和聚苯乙烯形成的共混纤维最小直径分 别为950 nm 和72 nm，聚吡咯原纤直径可 达30 nm。
• 有效利用光合成可再生的生物资源是十分 重要的课题。纤维素纤维（粘胶等）一般 都用有害的试剂经湿法纺丝制得，因此不 能说它是环境友好的材料。利用新型纤维 素纺丝技术，使其达到热可塑性化，可用 熔融纺丝法制成纤维。
高性能聚酮纤维的工业化基础技术的开 发
• 芳香族聚酰胺等高性能纤维，原料价格高， 性价比不高，因此用途受到限制。我们采 用低价的一氧化碳和乙烯作为原料的脂肪 族聚酮，用其浓盐水溶液经凝胶纺制得低 成本的超纤维，掌握了基础技术。在此基 础技术上该研究确立了聚酮纤维工业生产 技术，并了解了聚酮纤维的应用特，目的 在于聚酮纤维的工业化。
Nano Fiber
• 但是影响静电纺丝的因素很多,如聚合物和 溶剂的类型、聚合物分子链长度和分布、 聚合物溶液浓度、溶剂挥发性、电压和电 极大小、溶液导电性和pH值、喷嘴与接收 板间的距离、接收板移动速度、环境温湿 度、气压和电场等。
Nano Fiber
• 近年来，由于各种功能的纤维被制造出来， 纤维的消费开始转向产业用途，同时对纤 维制造商提出了更多多功能、高功能的要 求。另一方面，由于环境问题，非石油的 原料（从植物来资源）日益受到重视。
亚微米级专用过滤基材
• 由静电纺丝纳米纤维生产的无纺布具有比 表面积大和孔径尺寸小的特点，是一种性 能优异的吸附和过滤基材。目前静电纺丝 工艺制备专用滤布的技术已广泛应用于亚 微米微粒的过滤工艺。
亚微米级专用过滤基材
• 以聚丙烯纺粘无纺布为基质，尼龙66静电 纺丝纳米纤维网为主体的新型复合过滤材 料，当用量仅是其他过滤材料20%的情况 下，微粒过滤性能依然与性能最好的通用 过滤材料相当。同时由于纳米纤维的荷电 性取决于静电纺丝所采用的聚合物化学特 性，因此静电纺丝工艺也可以用来生产过 滤介质专用的荷电纤维。
生物医用高分子纳米纤维
• 景遐斌等将阿霉素溶解在可生物降解高分 子的溶液中进行静电纺丝，形成包裹有阿 霉素的超细纤维无纺布或纤维毡。所制得 的载药纤维直径可控制在0.1～ 2.0μm，载 药量可根据需要进行调整。阿霉素随着纤 维载体的降解而缓慢释放避免了初期突释 所产生的危害。纤维载体本身完全生物降 解，没有毒副作用。
生物医用高分子纳米纤维
• 静电纺丝工艺中高分子聚合物呈溶液或熔 融态，因此可以通过向溶液或熔融体中添 加特殊医用用途的添加剂（可溶或不可溶 颗粒物），将颗粒物包裹于纳米纤维中， 实现静电纺丝纤维的功能化。如Reneker等 将花粉孢子、藻酸盐颗粒和抗生素盐酸四 环素等药物加入到PLA 和PEVA（50:50） 混合液中，采用静电纺丝工艺生产治疗烧 伤专用敷料。
生物医用高分子纳米纤维
• 由于静电纺丝纳米纤维表面结构的特殊性， 新生细胞易于在其表面附着和繁殖，同时 又会沿纳米纤维导向生长。因此静电纺丝 纳米纤维结构是一种理想组织工程支架材 料。Li等人应用静电纺丝工艺开发了一种用 于组织工程的纳米纤维结构。这种结构由 直径约为500～ 800 nm 的D型或L 型丙交 酯与乙交酯的共聚物PLGA纤维组成，其孔 径分布、空隙率与天然组织的细胞外模型 相似。
精密高分子
• 为了发挥高分子材料原有的极限性能、功 能，着眼于分子间互相作用，进行纳米级 高序结构控制，通过发现多种高分子材料 物性，来适应用户的高标准要求。因此在 项目的后期，明确了更实用化的研究目标， 不限于确立单项基础技术。
特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 由于静电纺丝是快速相分离和快速固化两 个过程共同作用的结果，因此可以通过选 择性地去除溶液中的某种成分，制备高性 能的特殊表面拓扑结构的功能性纳米纤维。
应用纳米纤维的隔热、耐热、舒适性优 良的先进消防服的开发
• 为了有效灭火及迅速救助受灾者，需要阻 燃性、耐热性非常高的消防服；纳米纤维 使纤维材料高功能化，因此可开发出纳米 纤维的织物、积层结构体及消防服，制造 出防护性和舒适性兼备的世界最高水平的 先进消防服。
从熔融纺丝制得以天然物为原料的新型 纤维的研究
纳米材料发展展望
• 目前有关纳米纤维形态和材料特性的基础 研究工作仍处于初期阶段，系统化深入地 研究静电纺丝制备纳米纤维的工艺非常迫 切：一方面如何实现纳米纤维尺度、导向 和其他预期特征的控制和重复操作，仍是 静电纺丝生产纳米纤维领域的主要难题； 另一方面，对聚合物体系在静电场中流体 不稳定性进行精确描述是制备纳米纤维的 关键。
Nano Fiber
• 当电场强度增大到特定临界值时，流体表 面的电荷斥力大于表面张力，带电流体就 会从泰勒锥的顶点喷射出来，形成带电射 流。在喷射区带电射流将经历一个突然加 速的过程，同时聚合物因溶剂挥发凝结或 熔融体冷却固化形成聚合物纤维形成，并 被高度拉伸而逐渐细化，最后沉积在接地 收集板上。
特殊拓扑结构的聚合物纳米纤维
• 溶胶-凝胶涂覆技术也是一种制备功能性纳 米管的重要工艺。Caruso等人采用溶胶-凝 胶涂覆技术首先将无定形二氧化钛涂覆在 聚L型丙交酯静电纺丝纤维上，再热降解去 除聚L型丙交酯后，制备中空二氧化钛纳米 管。