靜電紡絲技術制備無機功能復合納米纖維的研究進展

朱慧敏，高文元,，閆 爽,，劉貴山,，郝洪順,

（1.大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034； 2.遼寧新材料與材料改性重點實驗室，遼寧 大連 116034）

靜電紡絲技術制備無機功能復合納米纖維的研究進展

朱慧敏1，高文元1,2，閆 爽1,2，劉貴山1,2，郝洪順1,2

（1.大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034； 2.遼寧新材料與材料改性重點實驗室，遼寧 大連 116034）

目前，靜電紡絲技術是唯一能夠直接、連續制備聚合物納米纖維的方法。隨著功能材料的發展，單一組分的聚合物納米纖維在功能上已經不能滿足現有的應用領域。由于一些納米無機功能粉體在光學、電學、催化等方面具有優越的性能，因此逐漸發展成在聚合物中加入納米級無機功能粉體，采用靜電紡絲技術可以得到無機復合納米纖維，不僅滿足了原有的應用性能，而且在一些特殊的領域能夠表現出更加優越的性能。為此本文概述了靜電紡絲技術在無機復合納米纖維制備方面的最新研究進展，分析了靜電紡絲工藝在制備無機復合納米纖維方面存在的主要問題。最后指出了靜電紡絲技術制備硅藻土復合納米纖維所面臨的問題，以及應該采取的對策。

靜電紡絲技術；無機功能粉體；硅藻土復合納米纖維；研究進展

0 引 言

隨著納米材料技術的飛速發展，納米纖維技術已成為纖維科學的前沿和研究熱點。近年來發展了許多制備納米纖維的方法，如拉伸、模板聚合、相分離、自組織和靜電紡絲等，而靜電紡絲工藝是目前唯一能夠直接、連續制備聚合物納米纖維的方法。靜電紡絲技術由Formhals[1-2]在1934年提出，并且申請了專利，闡述了一種利用靜電力生產聚合物納米纖維的裝置，其主要原理是利用高壓靜電激發聚合物的帶電射流，使射流固化得到納米纖維。由于靜電紡絲制得的超細纖維直徑可達5-500 nm，具有比表面積高、孔隙率大的優點，因而在納米復合增強、過濾膜、組織工程支架、藥物釋放載體、光電器件等方面具有潛在的應用價值[3]。在靜電紡絲早期研究領域中，主要是應用此項技術直接將單一的聚合物制備成納米纖維，并對制備過程中的各項參數進行優化研究。隨著復合納米纖維日益受到人們的關注，此項技術逐漸轉移到制備納米無機功能粉體/聚合物復合納米纖維材料上。如果納米無機功能粉體和高分子基體的性質充分結合起來，將大大改進和提高材料的各種力學性質，因為納米無機粒子，不同于一般無機粒子，它對材料既增強又增韌。如把碳納米管、無機氧化物、石墨烯等添加到聚合物基質中，以獲得具有相應功能的復合納米纖維。近十年，靜電紡絲的紡絲溶液才逐漸發展成聚合物摻雜其他組分的無機功能粉體進行靜電紡絲形成復合納米纖維。比如制備了不同納米纖維素晶體(CNCs)添加量的靜電紡絲CNCs/聚乳酸(PLA)納米復合纖維。隨CNCs添加量增多，所制得復合納米纖維的珠狀纖維逐漸減少且纖維直徑有所增大。CNCs/PLA納米復合纖維薄膜的結晶度、熱分解溫度和拉伸強度都隨CNCs的增多而提高。當CNCs添加量為11%(質量分數)時，靜電紡絲CNCs/PLA復合納米纖維薄膜的結晶度比純靜電紡絲PLA纖維薄膜提高了87.9%；抗拉強度最高可達4.58 MPa，與純PLA薄膜相比提高了159%。制得CNCs/PLA復合納米纖維薄膜，不僅熱學性能提高，結晶性較好，且拉伸強度高。研究結果為以PLA為基體中加入納米級無機功能粉體的靜電紡絲技術制備的復合納米纖維薄膜的進一步研究，提供了一定的理論依據和更為廣闊的應用領域[4]。從而不斷地擴大靜電紡絲在制備復合納米纖維在各個行業的應用范圍。

靜電紡絲復合納米纖維具有很多優點，但欠佳的力學性能限制了它的應用和發展，而將聚合物和納米無機功能粉體共混是實現有效改性、提高成品理化性能的一種方法。本文著重闡述了以聚合物為基體，摻雜不同的納米無機功能粉體構建復合納米纖維的研究進展及其應用，并簡要分析靜電紡絲工藝在制備無機功能復合納米纖維存在的問題。最后指出了硅藻土摻雜在高分子基體中制備復合納米纖維所面臨的問題及應對措施。

1 無機功能粉體/聚合物復合納米纖維

無機功能粉體/聚合物復合納米纖維是指將納米級無機功能粉體添加到聚合物基質中，并采用靜電紡絲技術獲得相應功能的一類復合納米纖維。據報道，將石墨烯、無機氧化物納米粒子、碳納米材料等納米無機粒子分散在聚合物中，制備出的復合納米纖維除了具有納米粒子的特殊納米效應外，其中的聚合物還會與納米粒子發生協同作用，從而形成一些新的性能。本文主要通過對目前的靜電紡絲發展的狀況來分析無機物通過什么方式與聚合物進行結合的機理問題及簡要介紹其應用領域，并通過靜電紡絲原理來分析無機功能粉體/聚合物復合納米纖維成形的影響因素，進而指出了硅藻土應用在靜電紡絲方向需要解決的一些關鍵性的問題。

聚乙烯醇(PVA)是一種具有生物可降解性和生物親和性的水溶性高分子材料，其具有良好的化學穩定性、熱穩定性、生物相容性、低毒性和成膜性，并能在各種溶劑中形成物理凝膠，已成功應用于制備復合納米纖維方面。而無機功能粉體具有優異的光、電、磁等性能，所以通過靜電紡絲制備聚合物和納米無機功能粉體摻雜的復合納米纖維具有更加優越的性能。比如，石墨烯(GR)因結構獨特而具有良好的電學、熱學和力學性能而應用廣泛。若通過靜電紡絲的方法讓納米級的GR與聚合物進行結合，制備出的復合納米纖維的性能會更加優越。比如，Salavagionc等[5]利用酯化反應和氧化還原反應，成功將PVA分子鏈接枝到氧化石墨烯(GO)的表面上，由于GO的表面含有羧基基團，因此可與含有羥基的PVA發生酯化反應。Barzegar等[6-7]采用了靜電紡絲法制備了PVA納米纖維和GR/PVA復合納米纖維。研究發現：試驗所得PVA納米纖維直徑在238-302 nm、GR/PVA復合納米纖維的直徑在130-230 nm，添加GR后纖維直徑變小；此外，PVA納米纖維的電導率為3.7×10-12S/cm，而GR/PVA復合納米纖維的電導率增至約10.7×10-6S/cm，后者更適用于超級電容領域，這與GR提高了靜電紡絲液的導電性，進而提高了纖維的電導率有關。但真正實現產業化仍存在很多問題，如對纖維形態與尺寸的控制的問題。通過上述的例子，可利用上面的機理為靜電紡絲技術制備復合納米纖維提供理論依據，首先將納米級的無機功能粉體添加到聚合物基質中，通過納米級無機功能粉體表面的官能團和聚合物上的基團進行反應，可以讓納米級無機功能粉體與聚合物結合的更加牢固，同時加入的納米級無機功能粉體可以提高溶液的粘度，有利于減小復合納米纖維的直徑。

Teng等[8]以PVA作為基體，利用溶膠-凝膠法制備出nano-SiO2，再與靜電紡絲技術相結合，得到具有介孔結構的nano-SiO2/PVA復合納米纖維。從上述可知，PVA與nano-SiO2作用機理是因為PVA表面存在大量的羥基結構，而利用溶膠-凝膠制備出的nano-SiO2表面也存在羥基，納米粒子表面羥基與PVA分子鏈上羥基的強烈相互作用形成纏結結構。所以，nano-SiO2與PVA表面羥基之間形成了一定的化學交聯結構[9]。由于nano-SiO2與PVA之間產生的是物理吸附或化學交聯作用[10]，使得PVA分子鏈的纏結作用增強，鏈段運動能力降低，使nano-SiO2更加牢固地附著在PVA纖維的表面，才能更加充分發揮介孔nano-SiO2在復合納米纖維的特性，該材料可用于重金屬離子的吸附。此外，受荷葉自清潔的啟發，Zhao[11]等通過實驗發現：加入纖維的nano-SiO2的含量證明是影響纖維表面形態和潤濕性的關鍵因素，而且實驗表明加入的nano-SiO2的量不同，對纖維成形質量的好壞有很大的影響。而且隨著nano-SiO2量的增加，復合溶液的粘度增加，與PVA的交聯度增加，同時纖維直徑也逐漸增加。由此，可以通過對影響靜電紡絲纖維成形的因素來控制纖維的直徑，達到纖維所需的尺寸。通過靜電紡絲工藝制備的nano-SiO2/PVA復合納米纖維超疏水纖維材料，可被設計運用于防水織物、無損失液體運輸、微流體等領域。

碳納米管特殊的幾何尺寸和結構賦予其非凡的力學性能，尤其是具有良好電導率和良好生物相容性，它們更是當代研究的熱點。將多壁碳納米管(MWNTs)加入聚合物基體中能改善聚合物材料的電學、光電等多種性能[12,13]。聚合物性能的優劣互補產生其他類似于對電磁場的屏蔽性能[14]，生物醫療性能[15]等其他特殊性質。太原理工大學的馬彥龍等[16]通過將MWNTs/PVA進行靜電紡絲，紅外光譜說明了PVA溶液與MWNTs之間并沒有新的物質生成，其相互作用主要表現為物理吸附。然而，由于MWNTs長徑比大、極易團聚等特性，使其很難在高聚物中良好分散，嚴重影響其性能的發揮，進而影響其應用性能。因此，提高MWNTs在聚合物基體中的分散性，充分發揮其在一維軸向上的優良性能，一直都是研究者需要攻克的難關[17]。

實現納米級無機功能粉體在目標纖維內均勻穩定分散，始終是復合納米纖維研發中的核心目標。但其固有的親水性和納米特性，導致納米級無機功能粉體在紡絲過程中極易發生大規模強聚集力的自發團聚[18]。浙江理工大學的戚棟明等[19]研究了納米SiO2在聚合物溶液的分散狀態和納米SiO2靜電電紡纖維的復合情況。結果表明，通過超聲水洗、HF酸刻蝕，并結合馬弗爐煅燒實驗[20]，即可較方便地實現絕大部分簡單接枝SiO2在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/DMF高分子溶液和PMMA靜電電紡纖維內高度均勻穩定分散。通過上述報道，可借助超聲水洗可以使納米無機粉體較均勻的分散在高分子基質中。Jin[21]等通過靜電紡絲工藝一步法制備了具有項鏈結構的SiO2/PVA復合納米纖維，其研究表明，SiO2顆粒的直徑對纖維結構有著重要的影響，直徑為143 nm的SiO2顆粒在纖維中更傾向于聚集成束，而直徑為265 nm和910 nm的顆粒在纖維中易逐個聚集排列成項鏈結構。從上述報道可知，無機粉體顆粒的大小對纖維的形貌有著很大的影響。制備成更小納米級的顆粒是靜電紡絲制備出復合納米纖維的必要條件。

從上述的報道可知，靜電紡絲中無機功能粉體能通過物理吸附或者化學反應與聚合物進行結合，而且加入的無機功能粉體可通過溶膠-凝膠的方法制備成納米級的無機功能粉體，然后與聚合物復合進行靜電紡絲，制備出復合納米纖維。同時通過對靜電紡絲工藝影響因素的總結，可知加入的納米級無機功能粉體的量對纖維成形的直徑有很大的影響，以及納米級無機功能粉體能否在聚合物中的均勻分散和無機粉體顆粒大小是復合納米纖維性能的發揮的重要影響因素。到目前為止，有大量文獻報道了可以通過機械球磨的方法制備出納米級的粉體，比如，桂林理工大學的李存軍[22]等，將內蒙古鈣基蒙脫石改型、改性制備了鈉基蒙脫石和有機蒙脫石。采用機械球磨法，以無水乙醇為有機分散介質，通過濕法分別對鈣基蒙脫石、鈉基蒙脫石和有機蒙脫石開展機械球磨和超聲處理，對比了不同層間離子的蒙脫石的剝離效果，結果表明：機械球磨法剝離鈉基蒙脫石效果最佳，剝離型蒙脫石片層尺寸小于200 nm，其平均厚度約為15 nm。武漢理工大學的韓海濤[23]等，采用機械球磨濕法工藝成功的制備了納米級WO3粉末。

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，是一種天然礦物，具有良好的微孔結構和可塑性等性能。其主要的成分是SiO2，硅藻土的形體及其微小，一般只有幾微米到十幾微米，硅藻土具有很大的比表面積，其比表面積為3.1-60 m2/g，數量2-2.5億個/g，形體體積0.6-0.8 cm3/g，形體內含一千多個納米微孔，孔徑7-125 nm，是天然的納米微孔材料，能吸收自身質量3-4倍的雜質。所以硅藻土是一種吸附性很好的材料，若能和聚合物相結合進行靜電紡絲，那么紡出的纖維具有微孔結構，可以應用在很多的領域。

2 硅藻土摻雜到聚合物中進行靜電紡絲的展望

復合納米纖維材料在各個領域的用途愈來愈廣泛，而通過在聚合物中加入納米無機功能粉體進行靜電紡絲法的技術制備的復合納米纖維在近十年得到了迅速的發展，而且復合納米纖維在光學、電學、催化等方面發揮著不可替代的作用。現在硅藻土能否成功摻雜到聚合物中進行靜電紡絲需解決以下問題。第一步需要解決硅藻土顆粒大小問題，使用機械球磨的方法對硅藻土進行破碎制備成納米級的顆粒同時，且要求對孔結構機械破壞的程度小。第二步需要解決硅藻土顆粒如何能均勻分散到聚合物中且弄清聚合物與硅藻土以什么作用力進行結合的。若是解決了以上的問題，可以成功制備出硅藻土摻雜到聚合物中的復合納米纖維。該復合納米纖維具有去濕、除臭、凈化空氣、隔音、防水和隔熱的性能，所以可以考慮該纖維應用在防護服、過濾、吸附、組織工程支架、藥物釋放載體、光電器件等領域。硅藻土摻雜到聚合物中成功制備出的復合納米纖維，可以真正實現對環境無污染，成本低，性能好的目標。

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Research Progress of Inorganic Composite Nanof i bers Preparation by Electrospinning

ZHU huimin1, GAO wenyuan1.2, YAN shuang1.2, LIU guisan1.2, HAO hongshun1.2
(1. School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, Liaoning, China; 2. Key Laboratory for Advanced Materials and Modif i cation of Liaoning Province, Dalian 116034, Liaoning, China)

At present, electrospinning technology is the only way to directly and continuously prepare polymer nanofibers. With the development of material function, the polymer nanofibers of single component have been unable to meet the requirements of the existing application fields. As some inorganic functional powders exhibit superior performance in the optical, electrical, catalytic and other aspects, they are added to polymers, and then inorganic composite nanofibers can be obtained by electrostatic spinning. In this paper, the latest research progress and application of electrospinning technology in the preparation of inorganic composite nanofibers are summarized. The main problems in the preparation of inorganic composite nanofibers are analyzed. Finally, the problems and potential applications of diatomite composite nanofibers prepared by electrospinning are analyzed, and their development prospects are also discussed. Key words:electrospinning technology; inorganic functional powder; diatomite composite nanofibers; research progress and prospect; countermeasure

date:2017-03-08. Revised date: 2017-03-10.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)04-0053-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.04.011

2017-03-08。

2017-03-10。

高文元，男，教授。

Correspondent author:GAO Wenyuan, male, Professor.

E-mail:dlgwy64@163.com