納米纖維的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

李代洋，楊 婷，何 勇，梁列峰

(1.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715;2.重慶市生物質(zhì)材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心，重慶 400715；3.重慶市纖維檢驗(yàn)局，重慶 401121)

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納米纖維的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

李代洋1,2，楊 婷1,2，何 勇3，梁列峰1,2

(1.西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶 400715;2.重慶市生物質(zhì)材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心，重慶 400715；3.重慶市纖維檢驗(yàn)局，重慶 401121)

納米纖維因其尺寸小、比表面積大而產(chǎn)生的獨(dú)特效應(yīng)使其成為目前研究的熱點(diǎn)。主要介紹了用于制備納米纖維的材料、常用制備納米纖維方法，以及納米纖維在服裝、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)其在未來(lái)的應(yīng)用及發(fā)展提出展望。

納米纖維 材料 制備方法 應(yīng)用

納米纖維一般是指纖維直徑為納米尺度，并且長(zhǎng)度較大，具有一定長(zhǎng)徑比的線狀材料。但不同的領(lǐng)域?qū)χ睆接胁煌慕缍?，例如有人把直徑小?μm的纖維界定為納米纖維，有人把直徑小于0.3μm的纖維稱為納米纖維，還有文獻(xiàn)將納米纖維定義為直徑為納米級(jí)，長(zhǎng)度超過(guò)1μm的物質(zhì)[1]。而有關(guān)納米的定義，GB/T32269—2015給出了較為權(quán)威的定義，并且彭金平等[2]對(duì)納米領(lǐng)域相關(guān)術(shù)語(yǔ)及詞義進(jìn)行了具體圖文示例解讀，可總結(jié)出：“兩個(gè)維度外部尺寸相近且處于納米尺度，剩余一個(gè)維度外部尺寸明顯大于其他兩個(gè)維度尺寸的納米物體” 稱為納米纖維。

納米纖維的特點(diǎn)是尺寸小、比表面積大，使其產(chǎn)生許多獨(dú)特的效應(yīng)，例如小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)[3]等，而這些獨(dú)特的效應(yīng)極大地?cái)U(kuò)大了原料的應(yīng)用范圍。納米纖維在生物醫(yī)學(xué)、廢水離子吸收、功能服裝等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。因此，針對(duì)納米纖維的制備與成型、納米纖維的改性應(yīng)用成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

1 納米纖維制備材料

目前，研究發(fā)現(xiàn)制備納米纖維的材料有成百上千種，通過(guò)不同的制備工藝，可得到納米纖維。按照材料的屬性可分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料，以及有機(jī)-無(wú)機(jī)材料；按照材料的來(lái)源可分為天然材料和合成材料以及二者復(fù)合材料。

1.1 天然材料

用于制備納米纖維的天然材料是指自然界原來(lái)就有不經(jīng)加工或基本不加工就可直接應(yīng)用于制備納米纖維的材料，例如纖維素、甲殼素、殼聚糖等。王潔等[4]以脫脂棉為原材料，通過(guò)機(jī)械剪切和酸水解2種方法制備了不同尺寸、形態(tài)的納米纖維素，考察了各因素對(duì)纖維素尺寸、形態(tài)的影響規(guī)律。陳文帥等[5]以闊葉樹(shù)材楊木木粉為原料，利用亞氯酸鈉在酸性條件下脫除木質(zhì)素，氫氧化鉀脫除半纖維素，借助高強(qiáng)度超聲波的空化作用，依次制備了綜纖維素、純化纖維素及木質(zhì)纖維素納米纖絲(WCNF)。Min B M等[6]采用射線輻射的方法，降低甲殼素分子量，在使用六氟異丙醇(HFIP)為溶劑溶解低分子量甲殼素，通過(guò)靜電紡絲法制得甲殼素納米纖維，并通過(guò)脫乙酰作用制得純的殼聚糖纖維。王曉磊等[7]以我國(guó)特有的柞蠶絲為原料,以水作為溶劑,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了柞蠶絲素納米纖維。張顯華等[8]以三氟乙酸為溶劑,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備了絲膠蛋白(SS)納米纖維材。

1.2 合成材料

合成材料又稱人造材料，是人為地把不同物質(zhì)經(jīng)化學(xué)方法或聚合作用加工而成的材料，其特質(zhì)與原料不同，如塑料、合金(部分合金)等。用于制備納米纖維的合成材料很多，最常見(jiàn)的有聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)等。王佩杰等[9]利用靜電紡絲法制備了PET納米纖維，并比較了不同溶劑對(duì)納米纖維表面形態(tài)的影響。戴宏欽等[10]采用靜定紡絲法制備了PVA納米纖維，并采用研究了其力學(xué)性能。 劉杰等[11]采用靜電紡絲的方法制備了聚丙烯腈納米纖維，并研究了其晶態(tài)結(jié)構(gòu)和取向形成。

1.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料納米纖維是指將兩種及兩種以上不同材料混合制備納米纖維，旨在獲得兼具單組份材料優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合納米纖維。將不同材料共混制備納米纖維，是簡(jiǎn)單并有效的納米纖維改性方式，因此受到了很多研究者的青睞，關(guān)于復(fù)合材料制備納米纖維的研究報(bào)導(dǎo)也較多。薛華育等[12]以三氟乙酸、二氯甲烷和水為溶劑,采用靜電紡絲的方法制備再生絲素/聚乙烯醇共混納米纖維。 王曙東等[13]采用桑蠶廢絲制作再生絲素室溫干燥膜,并以不同質(zhì)量比例與水溶性膠原蛋白混合,溶解于甲酸中制得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲液，并通過(guò)靜電紡絲制備得到納米纖維。趙文敏等[14]采用靜電紡絲的方法制備了聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)納米纖維膜，并研究了其對(duì)含油污水的過(guò)濾性能。張幼珠等[15]也以靜電紡絲的方法制備了再生絲素/殼聚糖共混納米纖維，并研究了其結(jié)構(gòu)與性能。

2 納米纖維制備技術(shù)

因?yàn)榧{米纖維的尺寸較小，因此制備納米纖維的方法相對(duì)較少，本文主要介紹了靜電紡絲法等3種常用的制備納米纖維的方法。

2.1 靜電紡絲法

1882年，Raleigh[16]的研究發(fā)現(xiàn)，帶電的液滴在電場(chǎng)中不穩(wěn)定，容易劈裂成小液滴。1934年，F(xiàn)ormlals發(fā)明了一些列有關(guān)靜電紡絲技術(shù)的專利，并采用靜電紡絲技術(shù)制備了以醋酸纖維素丙酮溶液為原料的聚合物細(xì)絲[17]，標(biāo)志著靜電紡絲技術(shù)的產(chǎn)生，但直到20世紀(jì)90年代以后，由于納米纖維研究的興起，靜電紡絲技術(shù)因操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高而被廣泛采用。圖1為典型的靜電紡絲裝置，主要由四個(gè)部分組成，即高壓直流電源、噴絲口、供應(yīng)裝置以及接收裝置。將紡絲原液裝入紡絲液容器中，通過(guò)計(jì)量泵的推動(dòng)，將紡絲原液通過(guò)噴絲頭擠入高壓電場(chǎng)中，最后在收集器上便可收集到納米纖維氈。利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維的研究較多,例如Theron等[18]和Tomaszewksi等[19]采用多針頭的方法改進(jìn)靜電紡絲設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率。陳思羽等[20]采用了均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，研究了PVC靜電紡絲過(guò)程，得到了有效的回歸模型。Esmaeili等[21]以靜電紡殼聚糖/PVA納米纖維膜為吸附材料，利用新型的固定床反應(yīng)器，提高了納米纖維膜對(duì)金屬離子的吸收效率。

圖1 典型的靜電紡絲裝置[22]

2.2 分子板噴絲法[1,23]

分子板噴絲法是采用分子板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)紡絲器械的噴頭進(jìn)行紡絲的方法。分子噴絲板是由盤(pán)狀物構(gòu)成的柱形有機(jī)分子膜組成，聚合物在盤(pán)狀物中形成細(xì)絲，并從膜底部噴出。在紡絲過(guò)程中盤(pán)狀物需要精確地按照設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行定位，否則不能吸引和拉伸聚合物纖維，造成紡絲失敗。因此，分子板噴絲法對(duì)設(shè)備的要求較高，對(duì)精確度的要求也較高，國(guó)內(nèi)很少有用分子板噴絲法制備納米纖維并進(jìn)行研究的報(bào)導(dǎo)。

2.3 海島型雙組分復(fù)合紡絲法

早在20世紀(jì)70年代，日本便開(kāi)發(fā)了海島型雙組分復(fù)合紡絲法制備超細(xì)纖維的技術(shù)[24]。該方法的原理是將兩種不同組分的聚合物，通過(guò)特殊的紡絲機(jī)制成細(xì)絲，一種組分作為細(xì)絲中的“?！?，另外一組分作為細(xì)絲中的“島”，然后再采用溶劑將細(xì)絲中的“?！比芙獾簦偷玫搅思{米級(jí)的超細(xì)纖維。采用海島型雙組份復(fù)合紡絲法，一般先將復(fù)合絲制成織物，再溶解其中的一組分，控制溶解條件，使得織物呈現(xiàn)不一樣的視覺(jué)效果和染色性能。蔣學(xué)軍等[25]對(duì)海島法生產(chǎn)超細(xì)纖維的原理及性能進(jìn)行了分析，得出開(kāi)纖工藝是影響海島型雙組分復(fù)合纖維織物風(fēng)格的主要因素。 彭孝蓉等[26]采用正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化復(fù)合紡絲工藝，并對(duì)影響海島纖維的織物風(fēng)格、纖維開(kāi)纖和染色的有關(guān)因素進(jìn)行了討論。程愛(ài)民[27]系統(tǒng)性的研究了PE/PP雙組分復(fù)合紡粘法非織造布的結(jié)構(gòu)與性能。

3 納米纖維的應(yīng)用

納米纖維由于其獨(dú)特的性能，使其主要在服裝、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都發(fā)揮著極大作用。

3.1 功能性服裝

功能性服裝材料是近年來(lái)服裝材料的發(fā)展趨勢(shì)，不僅擁有較高的附加值，具有廣闊的發(fā)展空間，并且順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的時(shí)尚浪潮。而將納米纖維用于功能性服裝材料的研究也是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。孫敏等[28]選用Shinchem SD8070有機(jī)硅彈性體抗起毛起球整理劑,對(duì)納米抗菌雙羅紋針織物進(jìn)行抗起毛起球整理。辛東坡等[29]從靜電紡納米纖維非織造布的空氣體積分?jǐn)?shù)出發(fā)，研究其熱傳遞性能和濕傳遞性能，發(fā)現(xiàn)靜電紡納米纖維具有優(yōu)良的保暖性和不良的透濕性；并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一定體積分?jǐn)?shù)的納米纖維非織造布的導(dǎo)熱系數(shù)，定量描述了納米纖維非織造布的導(dǎo)熱性能；分析了影響透濕性的因素，展望了它在防護(hù)性服裝應(yīng)用上的潛力。陳繼紅等[30]綜述并總結(jié)了納米纖維具有手感柔軟、光澤柔和、高吸水吸油性等特點(diǎn)，可以織造出仿真好、性能佳的服裝面料。

3.2 生物醫(yī)藥

納米纖維具有極高的比表面積，與細(xì)胞的接觸面較大，依附能力較強(qiáng)，且靜電紡絲容易形成互穿網(wǎng)絡(luò)的三維結(jié)構(gòu)，可模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，將納米纖維應(yīng)用于生物醫(yī)藥，是一個(gè)流行的研究趨勢(shì)。王世革[31]研究了鋰皂石或羥基磷灰石摻雜的靜電紡納米纖維的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，對(duì)有機(jī)、無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合納米纖維在組織工程、藥物載體等領(lǐng)域的研究具有重要的借鑒意義。Kenawy等[32]直接將還有酒精的乙烯/乙烯醇共聚物紡到人們手上，直接形成納米纖維敷料，促進(jìn)傷口愈合。胡瑋[33]研究了膠原/絲素納米纖維材料肝細(xì)胞培養(yǎng)與多功能生物人工肝，表明膠原/絲素納米纖維材料有望用于改善人工肝生物反應(yīng)器中的細(xì)胞活性，維持細(xì)胞功能表達(dá)。

3.3 環(huán)境保護(hù)

納米纖維的比表面積極大，能最大限度地暴露材料的功能基團(tuán)，使其能夠大量地對(duì)小分子進(jìn)行吸附。因此，利用這一原理，張慧敏等[34]和Esmaeili等[35]采用靜電紡絲法成功制備了殼聚糖/PVA納米纖維膜，研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)金屬離子具有良好的吸附效果。王艷麗等[36]的研究表明，采用靜電紡絲技術(shù)制備的TiO2納米纖維多羅丹明B具有良好的降解效果。納米纖維應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)，吸附空氣中和水中的有害離子和小分子，達(dá)到凈化環(huán)境的目的。李永健等[37]以靜電紡絲為基礎(chǔ)，制備出具有特殊官能團(tuán)的聚合物納米纖維膜，利用表面改性的方法，使其能夠?qū)δ承┯泻ξ镔|(zhì)具有吸附功能，然后對(duì)制備的功能性納米纖維膜進(jìn)行表征，并對(duì)其吸附性能進(jìn)行了研究。

4 前景與展望

納米纖維因其自身的獨(dú)特性能，受到廣大學(xué)者的青睞。目前納米纖維的制備技術(shù)和其性能逐漸趨于成熟，對(duì)納米纖維的改性，以及將納米纖維應(yīng)用于更廣領(lǐng)域的探索成為了目前研究的熱點(diǎn)。因此，在不久的將來(lái)，納米纖維的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更加廣泛，并且有更多的科技成果向?qū)嶋H生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。

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2016-08-25

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)學(xué)生雙創(chuàng)項(xiàng)目(XDJK2016E042)

李代洋(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：納米纖維、功能纖維成型。

梁列峰(1964-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。

TS102.6

A

1008-5580(2016)04-0138-04