纳米纤维材料特性及应用浅析
2020-12-18 17:42:16
传统普通纤维材料的直径多为5～50μm；最新开发的超细纤维直径可达0.4～4μm。纳米纤维概念：严格意义上指纤维直径为纳米级别的超细纤维，广义上还包括将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维也是目前国内外开发的热点之一。真正意义上的纳米纤维，由于其极大的比表面积和表面积－体积比所表现出的特殊性能，日益引起科学家们的重视。
一、纳米纤维的特性和功效
1.小尺寸效应由于比表面积增大、体积减少，使反应性和选择性明显提高，使超低消耗等能以具体化。随着纤维直径的纳米化，材料的声、光、电磁、热力学性质将会改变。
2.超分子排列效果由于分子规整排列，可实现自我组织化，从而可显现统一的功能。
3.认识细胞生物体材料的效果结合细胞的认识而制成特异结构的纳米纤维。
4.阶层结构效果即由于纳米聚合物链水平的纳米阶层结构而出现的新效果。
二、纳米纤维制造方法
拉伸法、生物制备法、自组装、微相分离、静电纺丝等。其中静电纺丝法有操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点，因而被广泛应用。静电纺丝得到的电纺纤维具有直径小（几纳米至几微米）、比表面积高等特点。过程是将具有一定粘度的高分子溶液或熔体置于带有金属毛细管喷头的装置中，在高压电场的作用下，处于喷口的液滴克服表面张力形成喷丝细流，在到达接收装置之前，细流不断分裂细化及溶剂挥发,最后形成电纺纤维。若液体在连续的推动供给下，可得到一定厚度的超细纤维膜。目前这种技术使用高压电和专门设计的设备生产纳米聚合物纤维，技术门槛及生产成本较高。
据报道，2015年美国乔治亚大学的研究人员宣布开发出一种低成本制备极薄聚合物丝（即纳米纤维）的方法。聚合物可以是天然材料（如蛋白质），也可以是人造材料（如塑料、橡胶、纤维、可生物降解材料）。研究人员利用非常简单的手工设备就能在几秒内产生出数百码的纳米纤维。将融化或者液化的聚合物混合氧化铁或其他生物相容的磁性材料，并置于注射器中。将注射器附近的磁铁固定在一个旋转的圆形盘。随着圆盘的旋转，当磁铁经过注射器的针尖，聚合物流体的液滴流动并连接到磁铁上，形成纳米纤维丝。如果这种技术能够走出实验室，真正投入工业化生产，必将带来纳米纤维制造领域的一次变革。
三、纳米纤维应用举例
1、复合材料增强
用纳米纤维作为增强剂加固复合材料研究较多的是碳纳米纤维、碳纳米管，它们的复合材料密度仅为钢铁的1/6，强度却达钢铁的100倍。尽管纳米纤维的含量低，却使复合材料的强度和硬度显著提高。压层材料常出现层脱现象，在其薄膜间添加纳米纤维，压层材料重量和层间距离几乎不变，层间韧性却显著提高。
2、高效过滤介质
纳米纤维复合制品具有阻隔高渗透悬浮粒子的性能，可大大提高过滤效率。作为气相、液态的过滤或分离介质，可在制药、实验室、医院、食品、化学及化妆品工业中使用，也可用于制作防化服或生物战地服装。将纳米纤维网片与湿法成型的纤维素纤维非织造布复合，用于引擎系统的清洁过滤，可去除直径为0.7～70μm的粒子。纳米纤维与某些选择性试剂复合的纤维用于开发分子过滤器，将可能实现水汽与有机气体和CO2和O2的分离；还可用于过滤生化武器中的毒剂。
3、生物医药领域应用：
纳米纤维可用于人造血管、药物输送材料等中。在做细胞工程支架材料时，其作用是提供传导性能和结构支撑，并改进支架的多空性；在药品封装中使用，可控制活性组分的传输。纳米纤维材料还是烧伤病人理想的包扎绷带药物在人体内溶解速度快则吸收快，而药物、载体的表面积则影响固体药物的溶解速度，通过设计将药物和纳米纤维复合，可控制药物在人体内的立即释放、缓和释放、延迟释放。
整个人体的组织和器官几乎都是纳米结构单元的沉积，如骨头、牙齿、皮肤等都是纳米结构在纳米尺度上的排列，人体细胞易于附着在直径小于细胞本身的纤维周围进行再生。使用生物高分子和生物可降解高分子的电纺丝纳米纤维研制一种支架，能使细胞附着其上并向内生长最终实现生物复制，替换生物体内已经损坏的组织和器官。
用传统的医用纱布包扎伤口，除去纱布后会留下疤痕，而用生物相容的纳米纤维制成的无纺布膜是结构精细多孔的薄膜，不仅能防止气溶胶的进入和真菌的滋生，还可迅速吸收伤口的渗出液，除去后不留下疤痕。纳米纤维易于生物降解，用它缝合伤口不必拆线，简化医疗程序，减少痛苦。
4、精密电子和光学器件
导电纳米纤维中特殊排列的高分子聚集体被称为晶体缺陷，它使纳米纤维内高分子本身具有传输和转动功能。以纳米纤维为载体能将纳米器件排布起来，互相连接成大规模集成电路。由于化学反应速率与电极表面积成正比，因此大表面积导电纳米纤维膜非常适用于制造高性能电池和多孔电极。最近发现的发光高分子和纳米纤维的复合材料发生荧光蓝移，这种材料有望在分子电子学等方面得到应用。
小结：纳米纤维具有极大的比表面积、横纵比、曲率半径、极强的与其他物质的互相渗透力，纳米纤维织物结构精细，具有特征光泽和颜色，极高的孔隙度，极好的柔韧性、吸附性、过滤性、粘合性、保温性。纳米纤维独特的性能使其在膜材料、过滤介质、催化剂、电子产品、生物制品、复合增强材料等领域拥有巨大的市场潜力。
( ：终吉)