纳米纤维的研究现状及其应用

李代洋，杨 婷，何 勇，梁列峰

(1.西南大学纺织服装学院，重庆 400715;2.重庆市生物质材料与现代纺织工程技术研究中心，重庆 400715；3.重庆市纤维检验局，重庆 401121)



纳米纤维的研究现状及其应用

李代洋1,2，杨 婷1,2，何 勇3，梁列峰1,2

(1.西南大学纺织服装学院，重庆 400715;2.重庆市生物质材料与现代纺织工程技术研究中心，重庆 400715；3.重庆市纤维检验局，重庆 401121)

纳米纤维因其尺寸小、比表面积大而产生的独特效应使其成为目前研究的热点。主要介绍了用于制备纳米纤维的材料、常用制备纳米纤维方法，以及纳米纤维在服装、生物医学、环境保护方面的应用，同时对其在未来的应用及发展提出展望。

纳米纤维 材料 制备方法 应用

纳米纤维一般是指纤维直径为纳米尺度，并且长度较大，具有一定长径比的线状材料。但不同的领域对直径有不同的界定，例如有人把直径小于1μm的纤维界定为纳米纤维，有人把直径小于0.3μm的纤维称为纳米纤维，还有文献将纳米纤维定义为直径为纳米级，长度超过1μm的物质[1]。而有关纳米的定义，GB/T32269—2015给出了较为权威的定义，并且彭金平等[2]对纳米领域相关术语及词义进行了具体图文示例解读，可总结出：“两个维度外部尺寸相近且处于纳米尺度，剩余一个维度外部尺寸明显大于其他两个维度尺寸的纳米物体” 称为纳米纤维。

纳米纤维的特点是尺寸小、比表面积大，使其产生许多独特的效应，例如小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应[3]等，而这些独特的效应极大地扩大了原料的应用范围。纳米纤维在生物医学、废水离子吸收、功能服装等领域具有极大的应用潜力。因此，针对纳米纤维的制备与成型、纳米纤维的改性应用成为了近年来研究的热点。

1 纳米纤维制备材料

目前，研究发现制备纳米纤维的材料有成百上千种，通过不同的制备工艺，可得到纳米纤维。按照材料的属性可分为有机材料和无机材料，以及有机-无机材料；按照材料的来源可分为天然材料和合成材料以及二者复合材料。

1.1 天然材料

用于制备纳米纤维的天然材料是指自然界原来就有不经加工或基本不加工就可直接应用于制备纳米纤维的材料，例如纤维素、甲壳素、壳聚糖等。王洁等[4]以脱脂棉为原材料，通过机械剪切和酸水解2种方法制备了不同尺寸、形态的纳米纤维素，考察了各因素对纤维素尺寸、形态的影响规律。陈文帅等[5]以阔叶树材杨木木粉为原料，利用亚氯酸钠在酸性条件下脱除木质素，氢氧化钾脱除半纤维素，借助高强度超声波的空化作用，依次制备了综纤维素、纯化纤维素及木质纤维素纳米纤丝(WCNF)。Min B M等[6]采用射线辐射的方法，降低甲壳素分子量，在使用六氟异丙醇(HFIP)为溶剂溶解低分子量甲壳素，通过静电纺丝法制得甲壳素纳米纤维，并通过脱乙酰作用制得纯的壳聚糖纤维。王晓磊等[7]以我国特有的柞蚕丝为原料,以水作为溶剂,通过静电纺丝技术制备了柞蚕丝素纳米纤维。张显华等[8]以三氟乙酸为溶剂,通过静电纺丝技术制备了丝胶蛋白(SS)纳米纤维材。

1.2 合成材料

合成材料又称人造材料，是人为地把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成的材料，其特质与原料不同，如塑料、合金(部分合金)等。用于制备纳米纤维的合成材料很多，最常见的有聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)、对苯二甲酸乙二酯(PET)等。王佩杰等[9]利用静电纺丝法制备了PET纳米纤维，并比较了不同溶剂对纳米纤维表面形态的影响。戴宏钦等[10]采用静定纺丝法制备了PVA纳米纤维，并采用研究了其力学性能。 刘杰等[11]采用静电纺丝的方法制备了聚丙烯腈纳米纤维，并研究了其晶态结构和取向形成。

1.3 复合材料

复合材料纳米纤维是指将两种及两种以上不同材料混合制备纳米纤维，旨在获得兼具单组份材料优点的复合纳米纤维。将不同材料共混制备纳米纤维，是简单并有效的纳米纤维改性方式，因此受到了很多研究者的青睐，关于复合材料制备纳米纤维的研究报导也较多。薛华育等[12]以三氟乙酸、二氯甲烷和水为溶剂,采用静电纺丝的方法制备再生丝素/聚乙烯醇共混纳米纤维。 王曙东等[13]采用桑蚕废丝制作再生丝素室温干燥膜,并以不同质量比例与水溶性胶原蛋白混合,溶解于甲酸中制得不同质量分数的纺丝液，并通过静电纺丝制备得到纳米纤维。赵文敏等[14]采用静电纺丝的方法制备了聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)纳米纤维膜，并研究了其对含油污水的过滤性能。张幼珠等[15]也以静电纺丝的方法制备了再生丝素/壳聚糖共混纳米纤维，并研究了其结构与性能。

2 纳米纤维制备技术

因为纳米纤维的尺寸较小，因此制备纳米纤维的方法相对较少，本文主要介绍了静电纺丝法等3种常用的制备纳米纤维的方法。

2.1 静电纺丝法

1882年，Raleigh[16]的研究发现，带电的液滴在电场中不稳定，容易劈裂成小液滴。1934年，Formlals发明了一些列有关静电纺丝技术的专利，并采用静电纺丝技术制备了以醋酸纤维素丙酮溶液为原料的聚合物细丝[17]，标志着静电纺丝技术的产生，但直到20世纪90年代以后，由于纳米纤维研究的兴起，静电纺丝技术因操作简单，生产效率高而被广泛采用。图1为典型的静电纺丝装置，主要由四个部分组成，即高压直流电源、喷丝口、供应装置以及接收装置。将纺丝原液装入纺丝液容器中，通过计量泵的推动，将纺丝原液通过喷丝头挤入高压电场中，最后在收集器上便可收集到纳米纤维毡。利用静电纺丝技术制备纳米纤维的研究较多,例如Theron等[18]和Tomaszewksi等[19]采用多针头的方法改进静电纺丝设备，提高了生产效率。陈思羽等[20]采用了均匀设计实验方法，研究了PVC静电纺丝过程，得到了有效的回归模型。Esmaeili等[21]以静电纺壳聚糖/PVA纳米纤维膜为吸附材料，利用新型的固定床反应器，提高了纳米纤维膜对金属离子的吸收效率。

图1 典型的静电纺丝装置[22]

2.2 分子板喷丝法[1,23]

分子板喷丝法是采用分子板，代替传统纺丝器械的喷头进行纺丝的方法。分子喷丝板是由盘状物构成的柱形有机分子膜组成，聚合物在盘状物中形成细丝，并从膜底部喷出。在纺丝过程中盘状物需要精确地按照设计的位置进行定位，否则不能吸引和拉伸聚合物纤维，造成纺丝失败。因此，分子板喷丝法对设备的要求较高，对精确度的要求也较高，国内很少有用分子板喷丝法制备纳米纤维并进行研究的报导。

2.3 海岛型双组分复合纺丝法

早在20世纪70年代，日本便开发了海岛型双组分复合纺丝法制备超细纤维的技术[24]。该方法的原理是将两种不同组分的聚合物，通过特殊的纺丝机制成细丝，一种组分作为细丝中的“海”，另外一组分作为细丝中的“岛”，然后再采用溶剂将细丝中的“海”溶解掉，就得到了纳米级的超细纤维。采用海岛型双组份复合纺丝法，一般先将复合丝制成织物，再溶解其中的一组分，控制溶解条件，使得织物呈现不一样的视觉效果和染色性能。蒋学军等[25]对海岛法生产超细纤维的原理及性能进行了分析，得出开纤工艺是影响海岛型双组分复合纤维织物风格的主要因素。 彭孝蓉等[26]采用正交试验的方法优化复合纺丝工艺，并对影响海岛纤维的织物风格、纤维开纤和染色的有关因素进行了讨论。程爱民[27]系统性的研究了PE/PP双组分复合纺粘法非织造布的结构与性能。

3 纳米纤维的应用

纳米纤维由于其独特的性能，使其主要在服装、生物医药、环境保护等领域都发挥着极大作用。

3.1 功能性服装

功能性服装材料是近年来服装材料的发展趋势，不仅拥有较高的附加值，具有广阔的发展空间，并且顺应当今社会的时尚浪潮。而将纳米纤维用于功能性服装材料的研究也是当今的研究热点之一。孙敏等[28]选用Shinchem SD8070有机硅弹性体抗起毛起球整理剂,对纳米抗菌双罗纹针织物进行抗起毛起球整理。辛东坡等[29]从静电纺纳米纤维非织造布的空气体积分数出发，研究其热传递性能和湿传递性能，发现静电纺纳米纤维具有优良的保暖性和不良的透湿性；并通过实验得到一定体积分数的纳米纤维非织造布的导热系数，定量描述了纳米纤维非织造布的导热性能；分析了影响透湿性的因素，展望了它在防护性服装应用上的潜力。陈继红等[30]综述并总结了纳米纤维具有手感柔软、光泽柔和、高吸水吸油性等特点，可以织造出仿真好、性能佳的服装面料。

3.2 生物医药

纳米纤维具有极高的比表面积，与细胞的接触面较大，依附能力较强，且静电纺丝容易形成互穿网络的三维结构，可模拟天然细胞外基质结构。因此，将纳米纤维应用于生物医药，是一个流行的研究趋势。王世革[31]研究了锂皂石或羟基磷灰石掺杂的静电纺纳米纤维的生物医学应用，对有机、无机/有机复合纳米纤维在组织工程、药物载体等领域的研究具有重要的借鉴意义。Kenawy等[32]直接将还有酒精的乙烯/乙烯醇共聚物纺到人们手上，直接形成纳米纤维敷料，促进伤口愈合。胡玮[33]研究了胶原/丝素纳米纤维材料肝细胞培养与多功能生物人工肝，表明胶原/丝素纳米纤维材料有望用于改善人工肝生物反应器中的细胞活性，维持细胞功能表达。

3.3 环境保护

纳米纤维的比表面积极大，能最大限度地暴露材料的功能基团，使其能够大量地对小分子进行吸附。因此，利用这一原理，张慧敏等[34]和Esmaeili等[35]采用静电纺丝法成功制备了壳聚糖/PVA纳米纤维膜，研究发现其对金属离子具有良好的吸附效果。王艳丽等[36]的研究表明，采用静电纺丝技术制备的TiO2纳米纤维多罗丹明B具有良好的降解效果。纳米纤维应用于环境保护，吸附空气中和水中的有害离子和小分子，达到净化环境的目的。李永健等[37]以静电纺丝为基础，制备出具有特殊官能团的聚合物纳米纤维膜，利用表面改性的方法，使其能够对某些有害物质具有吸附功能，然后对制备的功能性纳米纤维膜进行表征，并对其吸附性能进行了研究。

4 前景与展望

纳米纤维因其自身的独特性能，受到广大学者的青睐。目前纳米纤维的制备技术和其性能逐渐趋于成熟，对纳米纤维的改性，以及将纳米纤维应用于更广领域的探索成为了目前研究的热点。因此，在不久的将来，纳米纤维的应用领域会更加广泛，并且有更多的科技成果向实际生产转化。

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2016-08-25

中央高校基本科研业务费学生双创项目(XDJK2016E042)

李代洋(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：纳米纤维、功能纤维成型。

梁列峰(1964-)，男，博士，教授，硕士生导师。

TS102.6

A

1008-5580(2016)04-0138-04