静电纺丝纳米材料的应用

王 巍

吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022

一维纳米结构具有独特性质，在众多领域内的应用，是近年的一个研究热点，越来越多先进技术（如物理气相沉积、刻蚀技术、电纺丝技术、溶胶-凝胶法、溶剂热法、化学气相沉积等）用于制备一维纳米结构。在众多的方法中，电纺丝技术被公认为是制备一维纳米材料的一种简便、高效的手段。由于所制备出的材料具有多功能性，采用该技术所得到的一维纳米复合材料可应用于众多应用领域，如电子和光学设备，化学和生物传感器，催化和电催化，超疏水表面，环境，能源和生物医学等领域。

1 电子与光学纳米设备

近些年来，金属与半导体纳米线结构的电学与光学性质引起人们的广泛关注，将金属与半导体的纳米结构制作成了各种纳米尺度的电子与光电设备。使用静电纺丝技术所合成的纳米材料也可应用于电子设备与光电设备中。Zhou Y 等[1]使用静电纺丝技术制备了具有不同直径的聚苯胺/聚环氧乙烷纳米复合纤维，通过表征发现复合纤维的电学性质依赖于纤维的直径，当纤维直径小于15nm 时，纤维是电绝缘的，反之导电。

利用静电纺丝技术可以制备出电学双稳态装置。Shang T C 等[2]采用该技术制备出Ag-NP/TCNQ/PVP 纳米纤维。所合成的纤维器件具有双稳态电学性质，当电势低于+29V 时，电流非常低，说明此时器件阻抗很高，当电势大于+29V 时，电流突然增大，纤维电阻升高到100Ω，实现了从低电导“关”状态到高电导的“开”状态之间的变化。这种变化的实现，只是通过简单施加一个反向偏压脉冲，就可以从“关”状态变化到“开”状态，而且双稳态性质稳定、可重复。因此，可以使用纺丝技术制备金属纳米粒子与聚合物的复合材料，这种材料可用于非挥发性存储器件。

2 化学与生物传感器

Li Z Y 等[3]采用电纺丝技术合成了具有良好的湿度传感特征的LiCl 掺杂TiO2纳米复合纤维。与纯TiO2纳米纤维相比，LiCl 掺杂后的TiO2纳米复合纤维具有更好的灵敏度和快速响应恢复行为。同时，传感器也表现出了良好的稳定性和重复性，传感器10 次循环后，其最高和最低阻抗值只发生了微小的改变。并且，将所合成纳米复合纤维置于室温条件下30d 后，其阻抗值几乎没有改变。

采用电纺丝技术除了可以制备湿度传感器，还可以制备以聚苯胺/聚环氧乙烷纳米纤维为基础的气体传感器。采用这种技术所制备的传感器置于0.005‰ NH3时，表现出快速可逆的电阻变化，响应时间与纤维的直径大小有关。与传统的聚苯胺膜传感器相比，聚苯胺/聚环氧乙烷复合纤维传感器的响应时间和敏感性有了巨大的改善，因此电纺丝技术能制备出应用于传感技术中的一维纳米复合纤维材料。

3 催化与电催化

采用电纺丝技术可制备陶瓷纳米纤维材料，而陶瓷纳米材料已被用作光催化剂来使用。同时，电纺丝得到的纤维毡具有多孔性和大的比表面积，因此采用电纺丝技术所制备的纤维毡被公认为是良好的催化剂载体。采用电纺技术制备聚合物纤维毡或陶瓷纤维毡为基础的复合材料催化剂可通过两种方式：一种是先电纺聚合物或陶瓷前驱体与金属盐的混合溶液，得到了复合纤维毡后，利用高温煅烧或还原剂，得到纳米纤维中的金属盐，最后制得金属/聚合物或者金属/陶瓷的纳米纤维；另一种手段为纳米纤维毡的后处理法，使得纤维表面最终沉积了大量金属粒子。Chen 等[4]首先采用了电纺丝技术制得聚丙烯腈/醋酸钯纳米复合纤维，然后将制得的纳米复合纤维通过碳化过程转变为碳/钯纤维。并且，Hou 等[4]还研究了碳/钯复合纤维在液相碘苯和苯乙炔的碳-碳偶合反应中的催化活性，结果表明碳化后的电纺碳/钯复合纤维表现出了良好的催化活性。

Patel 等[5]电纺了正硅酸乙酯、聚三甲氧基硅烷甲基丙烯酸甲酯和硝酸银的混合溶液，然后通过高温焙烧得到了含有银粒子的多孔二氧化硅纳米纤维。焙烧后PMCM 被热分解掉， 硝酸银转变为银粒子，形成了多孔的SiO2/Ag 复合纤维。通过改变硝酸银掺杂量以及热处理温度，实现了对纤维中银粒子大小和密度的控制。通过表征发现，银粒子均匀地分散在多孔二氧化硅纤维中。以NaBH4为还原剂还原亚甲基蓝时，该复合纤维具有良好的催化特性，并且无减活化作用和中毒现象。

4 超疏水表面

超疏水表面要具有分等级的微米结构和低的表面能。这种微米及纳米的结构可以通过电纺丝技术来制备。近年来，具有微米/纳米结构的电纺聚合物纤维毡已经用于超疏水表面。Ding 等[6]使用静电纺丝技术得到了具有亲水性的醋酸纳米纤维。若使用正癸基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的溶胶-凝胶涂层对纤维进行化学修饰，则纤维就会由亲水性变成疏水性。因此，电纺丝制得的纤维毡的疏水性是由表面高正癸基三甲氧基硅烷溶胶-凝胶涂层引起的。

采用静电纺丝技术还可以制备能在超亲水性与超疏水性之间相互转换的智能材料。Zhu 等[7]采用该种技术制备了随温度变化的聚异丙基丙烯酰胺/聚苯乙烯复合膜，材料润湿性可以从20℃的亲水性变成50℃的疏水性，聚异丙基丙烯酰胺对复合膜的表面性质起到了至关重要的作用。另外，pH 值改变以及氧化还原性也可改变材料表面的润湿性。还有学者采用电纺丝技术制备了聚丙烯腈/聚苯胺同轴纤维。PANI 的导电性，可以通过掺杂酸或碱来改变，实现了在导电聚苯胺盐与绝缘的聚苯胺碱之间的转换。对于全氟辛基磺酸掺杂的聚苯胺，纤维表面引入了疏水性官能团，此时纤维表现出了超疏水性。当pH 值为13.07 时，接触角又变成0°左右，这个润湿过程是可逆的，可多次重复进行。

5 环境

当今社会，水的重金属污染问题和空气的有毒性气体污染问题，已成为全球重要的环境污染问题。对于水的重金属污染以及空气的有毒气体，常采用吸附手段来去除污染物。使用电纺丝技术制得的纳米纤维毡由于具有大的比表面积，并且制备起来费用低，而被用作环境清洁材料。采用静电纺丝技术将无机纳米粒子掺杂到纤维中，所制备的清洁剂可以阻止纳米粒子释放到环境中，并且可以减少从水中分离出清洁材料时所带来的费用。将勃姆石纳米粒子掺杂到亲水的尼龙以及疏水的聚己内酯中，此时纳米复合纤维吸附Cd2+的能力可以达到0.2mg/g。

神经类毒气、芥子气等军用毒剂可带来严重的环境问题。采用静电纺丝技术制备了含有聚氯乙烯的复合纤维，用于解毒神经类毒气，该纳米复合纤维能够对氧磷类神经毒剂有效地解毒。采用电纺丝技术所制备的一维纳米复合材料还可以通过过滤而用于环境领域。

6 能源

目前，能源问题已成为全球最主要的问题之一。矿物能源（包括煤、石油和天然气）在为人类提供所需的大部分能源的同时，也给人类社会造成了一定的困扰，如矿物能源不可再生问题，以及矿物质燃烧排放物严重地污染了生态环境，造成了全球气候变暖，因此有必要发展新型而高效的清洁能源。利用电纺丝技术制备的TiO2纳米纤维由于具有大的比表面积，提高了染料敏化剂的吸附能力，因而被广泛应用于太阳能电池的电极。为了提高TiO2纳米纤维与导电基片之间的黏附性，科学家又进一步采取了其他方法，例如将钌染料掺杂到TiO2纳米纤维，形成了染料敏化太阳能电池复合材料，此时电池的电流密度达到13.6mA/cm2，填充数为51%，能量转换率达到5.8%。

7 结束语

采用静电纺丝技术所制备的纳米材料，由于具有多功能性，可用于电子与光学设备、化学与生物传感器、催化与电催化、超疏水表面、环境和能源等众多领域。采用静电纺丝技术所制备的材料，在这些领域内都表现出了优异的性质，具有广泛的应用前景和研究价值。