靜電紡絲納米材料的應(yīng)用

王 巍

吉林化工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132022

一維納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，是近年的一個(gè)研究熱點(diǎn)，越來越多先進(jìn)技術(shù)（如物理氣相沉積、刻蝕技術(shù)、電紡絲技術(shù)、溶膠-凝膠法、溶劑熱法、化學(xué)氣相沉積等）用于制備一維納米結(jié)構(gòu)。在眾多的方法中，電紡絲技術(shù)被公認(rèn)為是制備一維納米材料的一種簡便、高效的手段。由于所制備出的材料具有多功能性，采用該技術(shù)所得到的一維納米復(fù)合材料可應(yīng)用于眾多應(yīng)用領(lǐng)域，如電子和光學(xué)設(shè)備，化學(xué)和生物傳感器，催化和電催化，超疏水表面，環(huán)境，能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

1 電子與光學(xué)納米設(shè)備

近些年來，金屬與半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)引起人們的廣泛關(guān)注，將金屬與半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)制作成了各種納米尺度的電子與光電設(shè)備。使用靜電紡絲技術(shù)所合成的納米材料也可應(yīng)用于電子設(shè)備與光電設(shè)備中。Zhou Y 等[1]使用靜電紡絲技術(shù)制備了具有不同直徑的聚苯胺/聚環(huán)氧乙烷納米復(fù)合纖維，通過表征發(fā)現(xiàn)復(fù)合纖維的電學(xué)性質(zhì)依賴于纖維的直徑，當(dāng)纖維直徑小于15nm 時(shí)，纖維是電絕緣的，反之導(dǎo)電。

利用靜電紡絲技術(shù)可以制備出電學(xué)雙穩(wěn)態(tài)裝置。Shang T C 等[2]采用該技術(shù)制備出Ag-NP/TCNQ/PVP 納米纖維。所合成的纖維器件具有雙穩(wěn)態(tài)電學(xué)性質(zhì)，當(dāng)電勢低于+29V 時(shí)，電流非常低，說明此時(shí)器件阻抗很高，當(dāng)電勢大于+29V 時(shí)，電流突然增大，纖維電阻升高到100Ω，實(shí)現(xiàn)了從低電導(dǎo)“關(guān)”狀態(tài)到高電導(dǎo)的“開”狀態(tài)之間的變化。這種變化的實(shí)現(xiàn)，只是通過簡單施加一個(gè)反向偏壓脈沖，就可以從“關(guān)”狀態(tài)變化到“開”狀態(tài)，而且雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)穩(wěn)定、可重復(fù)。因此，可以使用紡絲技術(shù)制備金屬納米粒子與聚合物的復(fù)合材料，這種材料可用于非揮發(fā)性存儲器件。

2 化學(xué)與生物傳感器

Li Z Y 等[3]采用電紡絲技術(shù)合成了具有良好的濕度傳感特征的LiCl 摻雜TiO2納米復(fù)合纖維。與純TiO2納米纖維相比，LiCl 摻雜后的TiO2納米復(fù)合纖維具有更好的靈敏度和快速響應(yīng)恢復(fù)行為。同時(shí)，傳感器也表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，傳感器10 次循環(huán)后，其最高和最低阻抗值只發(fā)生了微小的改變。并且，將所合成納米復(fù)合纖維置于室溫條件下30d 后，其阻抗值幾乎沒有改變。

采用電紡絲技術(shù)除了可以制備濕度傳感器，還可以制備以聚苯胺/聚環(huán)氧乙烷納米纖維為基礎(chǔ)的氣體傳感器。采用這種技術(shù)所制備的傳感器置于0.005‰ NH3時(shí)，表現(xiàn)出快速可逆的電阻變化，響應(yīng)時(shí)間與纖維的直徑大小有關(guān)。與傳統(tǒng)的聚苯胺膜傳感器相比，聚苯胺/聚環(huán)氧乙烷復(fù)合纖維傳感器的響應(yīng)時(shí)間和敏感性有了巨大的改善，因此電紡絲技術(shù)能制備出應(yīng)用于傳感技術(shù)中的一維納米復(fù)合纖維材料。

3 催化與電催化

采用電紡絲技術(shù)可制備陶瓷納米纖維材料，而陶瓷納米材料已被用作光催化劑來使用。同時(shí)，電紡絲得到的纖維氈具有多孔性和大的比表面積，因此采用電紡絲技術(shù)所制備的纖維氈被公認(rèn)為是良好的催化劑載體。采用電紡技術(shù)制備聚合物纖維氈或陶瓷纖維氈為基礎(chǔ)的復(fù)合材料催化劑可通過兩種方式：一種是先電紡聚合物或陶瓷前驅(qū)體與金屬鹽的混合溶液，得到了復(fù)合纖維氈后，利用高溫煅燒或還原劑，得到納米纖維中的金屬鹽，最后制得金屬/聚合物或者金屬/陶瓷的納米纖維；另一種手段為納米纖維氈的后處理法，使得纖維表面最終沉積了大量金屬粒子。Chen 等[4]首先采用了電紡絲技術(shù)制得聚丙烯腈/醋酸鈀納米復(fù)合纖維，然后將制得的納米復(fù)合纖維通過碳化過程轉(zhuǎn)變?yōu)樘?鈀纖維。并且，Hou 等[4]還研究了碳/鈀復(fù)合纖維在液相碘苯和苯乙炔的碳-碳偶合反應(yīng)中的催化活性，結(jié)果表明碳化后的電紡碳/鈀復(fù)合纖維表現(xiàn)出了良好的催化活性。

Patel 等[5]電紡了正硅酸乙酯、聚三甲氧基硅烷甲基丙烯酸甲酯和硝酸銀的混合溶液，然后通過高溫焙燒得到了含有銀粒子的多孔二氧化硅納米纖維。焙燒后PMCM 被熱分解掉， 硝酸銀轉(zhuǎn)變?yōu)殂y粒子，形成了多孔的SiO2/Ag 復(fù)合纖維。通過改變硝酸銀摻雜量以及熱處理溫度，實(shí)現(xiàn)了對纖維中銀粒子大小和密度的控制。通過表征發(fā)現(xiàn)，銀粒子均勻地分散在多孔二氧化硅纖維中。以NaBH4為還原劑還原亞甲基藍(lán)時(shí)，該復(fù)合纖維具有良好的催化特性，并且無減活化作用和中毒現(xiàn)象。

4 超疏水表面

超疏水表面要具有分等級的微米結(jié)構(gòu)和低的表面能。這種微米及納米的結(jié)構(gòu)可以通過電紡絲技術(shù)來制備。近年來，具有微米/納米結(jié)構(gòu)的電紡聚合物纖維氈已經(jīng)用于超疏水表面。Ding 等[6]使用靜電紡絲技術(shù)得到了具有親水性的醋酸納米纖維。若使用正癸基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的溶膠-凝膠涂層對纖維進(jìn)行化學(xué)修飾，則纖維就會由親水性變成疏水性。因此，電紡絲制得的纖維氈的疏水性是由表面高正癸基三甲氧基硅烷溶膠-凝膠涂層引起的。

采用靜電紡絲技術(shù)還可以制備能在超親水性與超疏水性之間相互轉(zhuǎn)換的智能材料。Zhu 等[7]采用該種技術(shù)制備了隨溫度變化的聚異丙基丙烯酰胺/聚苯乙烯復(fù)合膜，材料潤濕性可以從20℃的親水性變成50℃的疏水性，聚異丙基丙烯酰胺對復(fù)合膜的表面性質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。另外，pH 值改變以及氧化還原性也可改變材料表面的潤濕性。還有學(xué)者采用電紡絲技術(shù)制備了聚丙烯腈/聚苯胺同軸纖維。PANI 的導(dǎo)電性，可以通過摻雜酸或堿來改變，實(shí)現(xiàn)了在導(dǎo)電聚苯胺鹽與絕緣的聚苯胺堿之間的轉(zhuǎn)換。對于全氟辛基磺酸摻雜的聚苯胺，纖維表面引入了疏水性官能團(tuán)，此時(shí)纖維表現(xiàn)出了超疏水性。當(dāng)pH 值為13.07 時(shí)，接觸角又變成0°左右，這個(gè)潤濕過程是可逆的，可多次重復(fù)進(jìn)行。

5 環(huán)境

當(dāng)今社會，水的重金屬污染問題和空氣的有毒性氣體污染問題，已成為全球重要的環(huán)境污染問題。對于水的重金屬污染以及空氣的有毒氣體，常采用吸附手段來去除污染物。使用電紡絲技術(shù)制得的納米纖維氈由于具有大的比表面積，并且制備起來費(fèi)用低，而被用作環(huán)境清潔材料。采用靜電紡絲技術(shù)將無機(jī)納米粒子摻雜到纖維中，所制備的清潔劑可以阻止納米粒子釋放到環(huán)境中，并且可以減少從水中分離出清潔材料時(shí)所帶來的費(fèi)用。將勃姆石納米粒子摻雜到親水的尼龍以及疏水的聚己內(nèi)酯中，此時(shí)納米復(fù)合纖維吸附Cd2+的能力可以達(dá)到0.2mg/g。

神經(jīng)類毒氣、芥子氣等軍用毒劑可帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。采用靜電紡絲技術(shù)制備了含有聚氯乙烯的復(fù)合纖維，用于解毒神經(jīng)類毒氣，該納米復(fù)合纖維能夠?qū)ρ趿最惿窠?jīng)毒劑有效地解毒。采用電紡絲技術(shù)所制備的一維納米復(fù)合材料還可以通過過濾而用于環(huán)境領(lǐng)域。

6 能源

目前，能源問題已成為全球最主要的問題之一。礦物能源（包括煤、石油和天然氣）在為人類提供所需的大部分能源的同時(shí)，也給人類社會造成了一定的困擾，如礦物能源不可再生問題，以及礦物質(zhì)燃燒排放物嚴(yán)重地污染了生態(tài)環(huán)境，造成了全球氣候變暖，因此有必要發(fā)展新型而高效的清潔能源。利用電紡絲技術(shù)制備的TiO2納米纖維由于具有大的比表面積，提高了染料敏化劑的吸附能力，因而被廣泛應(yīng)用于太陽能電池的電極。為了提高TiO2納米纖維與導(dǎo)電基片之間的黏附性，科學(xué)家又進(jìn)一步采取了其他方法，例如將釕染料摻雜到TiO2納米纖維，形成了染料敏化太陽能電池復(fù)合材料，此時(shí)電池的電流密度達(dá)到13.6mA/cm2，填充數(shù)為51%，能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到5.8%。

7 結(jié)束語

采用靜電紡絲技術(shù)所制備的納米材料，由于具有多功能性，可用于電子與光學(xué)設(shè)備、化學(xué)與生物傳感器、催化與電催化、超疏水表面、環(huán)境和能源等眾多領(lǐng)域。采用靜電紡絲技術(shù)所制備的材料，在這些領(lǐng)域內(nèi)都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。