电纺纳米纤维的应用与发展趋势

张雪冰+王小峰

摘 要：通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近几十年来材料科学领域最关注的学术与技术活动之一。静电纺丝技术凭借其成本低廉、可操作性高、可重复性好和制备的纳米纤维比表面积比较大、适用性好等优势，已成为制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝的应用是研究静电纺丝技术的基本动力和最终目标，本文综述了静电纺丝技术在几个领域的应用，包括组织工程支架、净化过滤、纳米传感器及催化剂等，并且对未来发展方向做了展望。

关键词：纳米纤维；应用领域；发展趋势

纳米纤维一般是指直径在100nm以下的超细纤维。制备纳米纤维的方法有静电纺丝法、拉伸法、相分离法、模版合成法和自组装法等，其中静电纺丝法是最连续、直接制备纳米纤维的方法，利用静电纺丝制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、隔阻性强和静电吸附力强等优点[1]，在多个领域具有不可替代的作用。

1 应用进展

随着纳米技术的发展，静电纺丝作一种制备纳米纤维最直接有效的方法，在组织工程支架、过滤、传感器、催化剂、电池等领域发挥了巨大的作用。

1.1 在生物血管组织工程支架领域的应用

在用于构建组织工程支架中，电纺纳米纤维无规则堆砌形成无纺布状膜材料，具有极大的表面积、高孔隙率和相互连通的三维网状结构，这些特点为细胞提供理想的生长、增殖和分化的微环境。范洁等[2]运用静电纺丝制备PCL（聚己内酯）/明胶生物活性支架，所制备的PCL/明胶电纺支架表面光滑、分布均匀、直径范围200-1100nm，平均接触角（75.32±3.58）°，平均拉伸强度（4.21±0.38）Mpa，平均弹性模量（11.04±2.53）Mpa，具有良好组织相容性。Lee等[3]利用Ⅰ型胶原和高分子量PCL混合电纺，制备出管状血管支架，实验发现其能够抵御生理条件下的高压和流动环境，运用模拟系统发现，在4周内支架结构保持稳定。Chew等[4]研究发现，定向排列的PCL电纺纳米纤维支架能够促进人身细胞的成熟。夏海坚等[5]研究了具备有序或无序拓扑结构的聚甲基丙烯酸甲酯电纺纳米纤维材料作为原代大鼠背根神经元负载支架的可行性，实验结果表明有序PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）电纺纳米纤维具有作为神经损伤后大鼠负载支架的潜力。 Kumbar等[6]研究了PLGA（聚乳酸羟基乙酸共聚物）电纺纳米纤维的直径对人成纤维细胞存活率的影响，实验发现纤维直径介于350-1100纳米之间的PLGA纤维支架能明显提高细胞的增殖率。

1.2 在净化过滤领域的应用

纳米纤维的直径极小，因此表面能和活性能大，且它有良好的电荷保持能力，这使纳米纤维有很强的阻隔性和静电吸附力，并且研究表明，纤维过滤材料的过滤性能随纤维直径的降低而显著增高。Yin等[7]通过将静电纺丝网与接收衬底结合在一起，构成了由二维纳米线（≈20nm）组成的波纹状聚酰胺-6纳米纤维/网膜过滤器。苑春刚老师[8]通过静电纺丝合成PVA/Ag-PVA（聚乙烯醇/银-聚乙烯醇）纳米纤维膜，抗菌试验表明该纤维膜具有优异的抗菌性能，在水处理的汞污染控制和抗菌应用方面具有很大潜力。姚春梅等[9]以聚乳酸熔喷非织造布为基布，采用静电纺丝法制备了平均直径在620nm左右的聚乳酸纤维覆盖在基布上，得到了复合空气过滤材料。高春涛等[10]制备了不同质量分数的有机改性蒙脱土的聚丙烯腈复合纳米纤维膜，用其净化溶液中亚甲基蓝染料。徐铜文等[11]通过将溴甲基化聚（2，6-二甲基-1，4-亚苯基氧化物）电纺丝纳米纤维垫浸渍到磺化聚（2，6-二甲基-1，4-亚苯基氧化物）溶液中，然后季铵化溴甲基，最终制备出含有-N+（CH3）3和-SO3-基团的纳米纤维复合膜，其独特的纳米纤维复合结构使尺寸稳定性和离子通量得到了显著的提高。

1.3 在精密传感器领域的应用

纳米纤维膜具有高的比表面积，因此用纳米纤维膜做传感器感知，可以提高灵敏度。报道较多的是基于碳、硅、陶瓷一维材料的传感器[12]。王凌云等[13]提出利用旋转滚筒作为接收装置制备PVDF（聚偏氟乙烯）纳米纤维的方法，通过调节滚筒转速来获得取向程度不同的纤维膜，测试结果显示所制备的纤维膜具良好的线性度和较高的灵敏度。Li等[14]用静电纺丝和煅烧的方法制备出了含有LiCl的TiO2纳米纤维，并将其作为一种新型的湿度纳米传感器，并表现出了相当好的传感特性。Manesh等[15]运用静电纺丝方法制备了（PVdF/PAPBA—NFM）纳米纤维传感器，实验研究表明，该传感器显示出优异的线性响应。

1.4 在催化剂领域的应用

纳米催化剂具有巨大的比表面积，可以使处在表面的原子数量大大增加，使催化剂具有更高的活性。而电纺纤维的比表面积大、柔韧性好，作为催化载体能够与催化剂产生较强的协同效应，增加催化能力。Chen[16]通过静电纺丝制备了3D碳微球/纳米纤维混合物，实现了可以有效控制从珍珠项链状纳米纤维到微球/纳米纤维混合物的形态转化。该混合物在酸性和碱性溶液中都显示如同Pt的氧还原反应活性，使其成为非贵金属中最好的氧催化剂之一。陈刚等[17]采用有机钒盐通过单喷丝静电纺丝制备BiVO4纳米管，受益于管状纳米结构高效的光收集能力和较大的表面积，对于Cr（VI）的光催化还原，管状纳米结构相比固体BiVO4纳米纤维具有更高的光催化性能。王艳丽等[18]采用静电纺丝技术，以硫酸钛为原料制备出TiO2纳米纤维，以罗丹明为降解物，结果表明TiO2纳米纤维对罗丹明可达到较高的降解率。刘帅等[19]通过静电纺丝技术制备了SnO2/ZnO异质结复合纳米纤维，其一维纳米结构特性有效地增加了与反应物的接触，提高了催化效率。

1.5 在电池领域的应用

电纺纤维隔离膜具有较高的孔隙率和离子导电率，以及其他的一些优良性能使其在锂离子电池、固体氧化原料电池和在太阳电池方面得到很广泛的应用。用静电纺丝制备得到的一维结构 Ag/Li4Ti5o12纳米纤维膜， 由于银纳米颗粒的均匀分布，作为锂电池电极材料具有超高的导电性和容量以及良好的循环利用性能[20]。丁军等[21]利用聚丙烯腈–甲基丙烯酸缩水甘油酯制备纳米纤维膜，并将其作为锂离子电池隔膜，通过实验证实其吸液率高达463%，且具有较低的热收缩率和较好的耐热性，對提高锂离子电池的性能具有明显的效果。罗凌虹等[22]通过静电纺丝技术，用溶胶-凝胶制备出纤维膜并将其作为固体原料氧化电池的阴极，实验证明此种纳米纤维阴极具有较低的极化阻抗和较高的电化学活性。

1.6 在其他领域的应用

在作为生物芯片基质方面：因电纺丝纤维薄膜具有极大比表面积的优点，所以其用作生物芯片的基质将可极大地提高蛋白质的吸收量，并可明显提高芯片的灵敏度。Yang等[23]发现由静电纺丝得到的聚合物NFM（N-甲酰吗啉）作为固体基质，能明显提高微流控芯片免疫检测对HIV探测的灵敏度。

在作为导电纳米纤维方面：用电纺的方法来制备一些导电聚合物，如纳米纤维中的炭黑含量对纤维的导电性具有显著影响。胡馨之等[24]通过湿法纺丝工艺制备纳米炭黑/聚氨酯弹性导电纤维，并研究了不同炭黑含量复合纤维的力学性能及导电性能，结果表明复合纤维的导电性随着炭黑含量的增加而得到显著提高，炭黑的质量分数为40%时，复合纤维的电导率为7.6s/m，具有良好的导电性能。

在复合材料方面：纳米纤维具有很大的比表面，用纳米纤维作载体能在很大程度上提高纤维与基体材料间的相互作用，与传统纤维相比，具有明显的优势。Gabr 等[25]制备了直径为 250 nm的CA（醋酸纤维素）纳米纤维增强复合材料，测试结果表明其弯曲强度增加了20%，弯曲模量增加了17%，明显提高了复合材料的抗弯力学性能。Cheng等[26]制备了直径为300-400 nm的PAN/PMMA（聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯）复合纳米纤维增强复合材料，PAN/PMMA纳米纤维和其相邻结构之间具有良好的界面黏合性，增强了复合材料的力学性能。

2 发展趋势

1.近年来溶液静电纺丝技术得到了较为广泛的发展，但是其在电纺过程中所用到的有机溶剂会带来一定弊端。一方面，溶剂的挥发会对实验者及环境造成不可知的伤害；另一方面，纤维上溶剂的残留也会极大地影响其应用。因此，制备无毒无污染的纳米纤维会成为一个发展趋势，特别是在生物医学领域和食品工程领域。

2.纳米纤维膜强度较低，甚至仅能达到其纤维强度的百分之几，其原因是随机堆砌的纤维无法形成类似于编织的有序结构。因此，如何有效编织纳米纤维将成为静电纺丝技术有待突破的重点内容。

3 结语

由于静电纺丝技术和其制备的纳米纤维自身的优点，静电纺丝技术广泛应用于生物组织工程、净化过滤、纳米传感器及催化剂等领域，并且展现出了诱人的发展前景。虽然静电纺丝技术取得了显著的成效，但是当前纳米纤维的研究水平与实际应用尚存一定的距离，根据实际应用对纳米纤维材料的性能提出要求，然后根据性能要求对纳米纤维结构做出改进，这需要研究者继续开展更为深入的研究工作。

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