納米纖維課件

納米纖維概述納米纖維制備方法納米纖維的應(yīng)用內(nèi)容納米纖維概述內(nèi)容1

所謂的纖維，是大家十分熟悉的名詞。在日常生活中，做服裝用的羊毛，蠶絲，亞麻，棉花等都是纖維，此種纖維的主要成分是纖維素（（C6H10O5）n

）。除了上述有機(jī)聚合物構(gòu)成的纖維外，還有金屬纖維，礦物纖維，陶瓷纖維等。纖維有兩個(gè)明顯的幾何特征。第一，纖維有較大的長度直徑比a，蠶絲和化學(xué)纖維的a都可以趨于無窮大；第二，纖維的直徑必須較細(xì)，這是出現(xiàn)一定柔韌性所必需的。普通傳統(tǒng)纖維材料的直徑多為5~50um.概述所謂的纖維，是大家十分熟悉的名詞。在日常生2納米纖維的定義：一種為狹義的定義，指纖維直徑在1~100nm尺度范圍內(nèi)的纖維;另一種為廣義的定義，除了纖維直徑在1~100nm尺度范圍內(nèi)的纖維外，還包括用納米粒子、狹義納米纖維制備得到的傳統(tǒng)纖維。我們通常所說的納米纖維皆為狹義的納米纖維。現(xiàn)在很多企業(yè)為了商品的宣傳效果，把填加了納米級(jí)（即小于100nm）粉末填充物的纖維也稱為納米纖維。

納米纖維的定義：3納米纖維的分類：納米纖維與傳統(tǒng)的纖維材料一樣，按其來源來分類，有以下幾種天然納米纖維有機(jī)納米纖維金屬納米纖維陶瓷納米纖維等。天然纖維中，直徑在納米尺度的代表是蜘蛛絲。納米纖維的分類：4

納米纖維的特點(diǎn)：因?yàn)榧{米纖維的直徑在納米級(jí)別范圍之內(nèi)，所以其具有納米材料的一般特點(diǎn)：表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子的隧道效應(yīng)納米纖維的特點(diǎn)：5納米纖維的制備方法

在傳統(tǒng)的合成纖維制備方法中分為兩大類:熔體紡絲和溶液紡絲法。在溶液法紡絲中，根據(jù)凝固方式的不同，又分為干法紡絲和濕法紡絲兩種。納米纖維不能用傳統(tǒng)的紡絲方法制備，但有共同之處，也可以用熔體和溶液來制備。近年來，人們已研究了一系列制備聚合物納米纖維的方法主要有以下幾種：納米纖維的制備方法在傳統(tǒng)的合成纖維制備方法中6納米纖維制備方法：拉伸法模板合成法相分離法分子自組裝法靜電紡絲法納米纖維制備方法：7

拉伸法:通過拉伸的方法可以制備單根纖維，只適用能夠承受巨大的拉伸應(yīng)力的粘彈性聚合物，因此適用范圍很窄。Ondarcuhu等采用了一種類似于干紡的工藝，制備了納米尺度的聚合物纖維，與單壁納米碳納米纖維制備相比，這種方法在一個(gè)拉伸過程中就得到了納米纖維。拉伸法

拉伸法:通過拉伸的方法可以制備單根纖維，只適用能夠承8模板合成法利用模板作為纖維成型的口模或者模板來制備納米纖維。目前能獲得的模板如多孔膜，其孔的長徑比小，只能制備與模板的孔相當(dāng)?shù)募{米短纖維或者一端與模相連的毛刷狀結(jié)構(gòu)，因此一般不能夠制備連續(xù)的納米纖維。Martin等人用聚合物模板制備了納米纖維。Feng等以陽極多孔氧化鋁膜作為模板把PAN

（PeroxyacetylNitrate）溶液擠出到凝固液中得到了疏水性很好的納米纖維。楊正龍等以陽極多孔氧化鋁膜為模板，制備了一系列一維結(jié)構(gòu)材料及其陣列體系，材料的結(jié)構(gòu)和陣列方式可調(diào)。模板合成法利用模板作為纖維成型的口?；蛘吣?相分離法此方法包含溶解、凝膠、抽出三個(gè)過程，周期很長，而且需要一個(gè)多孔泡沫模板，有類似于模板聚合的缺點(diǎn)。Ma等采用相分離法制備了生物降解脂肪族聚合的纖維直徑在50~500nm之間的三維交錯(cuò)狀織物，用作細(xì)胞培養(yǎng)的基體。相分離法此方法包含溶解、凝膠、抽出三個(gè)過程，周期很長，10分子自組裝法用分子自組裝技術(shù)組裝成納米纖維，其特點(diǎn)是可以在聚合物之前有預(yù)見性的設(shè)計(jì)好纖維的結(jié)構(gòu)，但其周期也很長。Liu等以PS一b一PCEMA嵌段共聚物為原料，利用自組裝技術(shù)制備了PCEMA為芯層，PS為皮層的納米纖維。分子自組裝法用分子自組裝技術(shù)組裝成納米纖維，其特點(diǎn)是可11靜電紡絲法

此方法是使帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場(chǎng)中流動(dòng)并發(fā)生形變，然后經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，得到纖維狀物質(zhì)。

靜電紡絲法此方法是使帶電荷的高分子溶液或12電紡裝置由三部分組成：高壓電源、注射器、金屬收集網(wǎng)（為負(fù)極，一般直接接地）。電紡的主要過程是：以恒定的力推動(dòng)注射器活塞，通過計(jì)量泵使一定流量的聚合物溶液從噴嘴以連續(xù)細(xì)流的形式流出，在噴嘴處接上高壓靜電，噴嘴與接收屏之間的距離為D，之間形成一個(gè)很大的外電場(chǎng)，聚合物溶液在外電場(chǎng)的作用下極化，產(chǎn)生表面電荷，由于多種力(有重力、外電場(chǎng)力、電荷斥力、表面張力、粘性力)的共同作用，產(chǎn)生了對(duì)稱和非對(duì)稱不穩(wěn)性的鞭動(dòng)，細(xì)流在鞭動(dòng)過程中受到拉伸而細(xì)化，經(jīng)溶劑揮發(fā)或冷卻后將凝結(jié)或固化為微絲，以無紡布的形式沉積在收集板上，也就得到了所需要的納米纖維。電紡聚合物納米纖維裝置圖電紡裝置由三部分組成：高壓電源、注射器、金屬收集網(wǎng)（為負(fù)極，13

影響電紡的主要因素有：溶液的性質(zhì)，包括溶液的濃度、粘度、電導(dǎo)率和表面張力，以及溶劑的蒸氣壓和沸點(diǎn)；聚合物的分子量和分子量分布；電場(chǎng)強(qiáng)度、針頭細(xì)管中的靜壓和針尖與收集器間的距離環(huán)境因素例如溫度、空氣濕度與流動(dòng)速度等

其中，影響纖維直徑的一個(gè)最重要因素是溶液粘度，溶液粘度越大，纖維的直徑越大。納米纖維課件14

在上面各種納米纖維的制備方法中，有的適用范圍窄，設(shè)備要求高，如拉伸法；有的僅限于制備受于模板限制的纖維，如模板合成法；有的過程復(fù)雜，難于控制，周期長，如相合成法，分子自組裝法。相比之下，靜電紡絲法制備聚合物納米纖維具有設(shè)備簡單、成本低廉、操作容易以及高效等優(yōu)點(diǎn)，因此它被認(rèn)為是制備大量聚合物連續(xù)納米纖維最有效的方法。在上面各種納米纖維的制備方法中，有的適用范圍窄15納米纖維的應(yīng)用聚合物納米纖維作為聚合物的增強(qiáng)物分離和過濾生物及醫(yī)學(xué)治療電池材料和能源方面酶及催化作用用于電子和光學(xué)設(shè)備納米纖維的應(yīng)用聚合物納米纖維16分離和過濾由于電紡納米纖維相互搭接可形成亞微米級(jí)至納米級(jí)的多孔膜，故可被廣泛應(yīng)用于分離和過濾領(lǐng)域。Gibson等人系統(tǒng)研究了電紡纖維構(gòu)成多孔膜的水氣傳輸性能，電紡聚合物薄膜過濾性能良好，并且有突出的俘虜浮質(zhì)、薄霧的特征。這種電紡的納米纖維膜可以用于救生衣材料。包容了磁性成份的納米纖維薄膜可有效分離磁活潑粒子。原則上，包含各種活性成份的納米纖維薄膜回應(yīng)各種與之相應(yīng)的環(huán)境變化是可行的。分離和過濾由于電紡納米纖維相互搭接可形成亞微米級(jí)至納米17過濾效率隨著納米纖維的孔徑減小而增加過濾效率隨著納米纖維的孔徑減小而增加18

生物及醫(yī)學(xué)治療

用各種蛋白質(zhì)制備的納米纖維為組織生長提供一個(gè)良好的平臺(tái)，成功的組織工程需要人們提供一個(gè)含自然相似物的化學(xué)成份、形態(tài)、表面功能組織。納米纖維膜具有相互關(guān)聯(lián)的三維多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可提供理想的組織工程所需的自然細(xì)胞母體所需要的結(jié)構(gòu)。電紡纖維膜用于醫(yī)療方面的薄膜可俘虜浮質(zhì)而防止病菌侵入，并且具有良好的水氣運(yùn)載功能，而其表面積大則為分散藥品提供良好保障。

生物及醫(yī)學(xué)治療

用各種蛋白質(zhì)制備的納米纖維為組織生19納米纖維無紡布用于傷口治療納米纖維無紡布用于傷口治療20電池材料方面

Jo等人將電紡聚合物的納米纖維多孔膜制成含聚合物電解質(zhì)的復(fù)合材料，已被成功應(yīng)用于鋰電池。他們還發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)液浸泡后的多孔膜呈現(xiàn)離子傳導(dǎo)的加強(qiáng)。Kim等用PAN前驅(qū)體制備的碳納米纖維的電極材料做電容，其最大比電容為175F/g?？刂苹罨瘻囟?、孔密度的納米纖維材料極大提高了比電容。

電池材料方面Jo等人將電紡聚合物的納米纖維多孔膜制成含聚21作為聚合物的增強(qiáng)物納米纖維作為聚合物的增強(qiáng)物具有以下兩個(gè)有利方面，其一是納米纖維很高的單位體積比表面積可以提高纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度；另一有利方面是當(dāng)納米纖維的直徑遠(yuǎn)小于可見光波長時(shí)，可以避免填充物與基體不同的折射率而引起基體透明度的下降。作為聚合物的增強(qiáng)物納米纖維作為聚合物的增強(qiáng)物具有以下兩22用于電子和