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静电纺功能性纳米纤维材料的研究现状 537浏览/0回复

小易

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精华

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发表于 2019-11-17 22:26:41

  考虑到当今时代人类需求的不断变化,制备高性能、多功能的纳米纤维材料已成为当前静电纺丝领域的研究热点。利用静电纺丝技术可制备实心、空心、核壳结构或蜘蛛网状结构的纳米材料,其中不止是有机纤维,还包括无机纤维和有机一无机复合纤维。随着科技的进步,静电纺丝技术在过滤、光电、能源、生物医药等领域均发挥着越来越重要的作用。随着静电纺纳米纤维应用领域的日渐扩大及进一步满足人们对应用安全性、便捷性及高效性的要求,制备多功能性纳米材料并投人工业化使用迫在眉睫。目前已有很多采用改变静电纺丝液性质或对纳米纤维进行后整理改性赋予其功能性的研究报道,通过改性可以提高材料力学、光学及电学等诸多性能,还可以获得很多新颖的功能,其中包括远红外功能、生物降解性以及温敏热敏等功能。

  1物理改性

  静电纺丝溶液性质对所制备的纳米纤维有很大的影响,多种材料的直接混合或共同纺丝以及对纤维进行简单的后整理均可以达到提高纳米纤维材料的性能、使其功能更加多样化的目的。

  1.1 共混纺丝法 利用静电纺丝技术可以制备多组分的复合纳米纤维,使材料之间优势互补,拓宽应用领域,同时也可以将一些相对分子质量较高、可纺性较好的聚合物溶液与其他不可纺物质进行共混纺丝,可以使纳米纤维获得额外的优良性能,如赋予其较高的导电性、抗菌性或吸湿性等一系列功能性。

  1.2 同轴静电纺 同轴静电纺丝与传统纺丝技术的不同之处在于喷丝头的结构。同轴静电纺丝技术利用其独特的同轴喷丝头使皮层溶液与芯层溶液的泰勒锥互相作用,发生一定的复合,从而制备出皮芯结构的纳米纤维,还可以在此基础上进行一定的后整理制备出中空纤维,由于其本身独特的结构和多样的功能性,被广泛应用于电池、气敏传感器、光催化及生物医药领域。

  1.3 表面涂覆改性 通过涂覆使纳米材料表面形成一层薄膜从而赋予其功能性是很普遍的方法,操作简单,分布均匀,但由于其间作用力仅是物理粘附,长期使用后效果有所下降。

  2 化学改性 物质问通过化学键的连接相比于普通的物理粘附更牢靠,制得的复合材料更耐久,所表现出的性能更优异,可以通过还原或聚合等其它手段制得功能性基团或纳米粒子来提高产品价值。目前看来,材料的性能与功能性方面所表现出的均匀稳定更适宜在实际中应用。

  2.1 原位还原 原位还原通常用于将金属粒子负载到纳米纤维上。

  2.2 原位聚合 原位聚合法是使聚合反应发生在纳米材料上,随着聚合反应的推进,生成物逐渐沉积在纳米纤维的表面,使其具有功能性。

  2.3 界面聚合 界面聚合法广泛应用于复合纳滤膜的制备,其显著优势就是可以在基材上形成超薄的滤膜。

  2.4 水热合成法 利用水热合成法在纤维表面合成无机材料是很常用的方法,在高温高压的环境中与水发生化学反应生成不易在水中分解的物质并包覆在纤维表面,此法制备的纳米材料分散更均匀,可以通过控制反应条件以改变包覆的程度。

  2.5 高温煅烧 高温煅烧旨在去除材料中的有机成分,通过对温度的调节可以得到不同成分及表面结构的纤维,通常与其他方法相结合制备无机纳米纤维或中空结构纤维。

  3 物理.化学改性 一部分改性技术利用物理或化学手段均可使材料或基团之间构成一定程度的紧密结合,可以将对所需材料结构和性质的要求与成本效益原则相结合设计适当的改性方案,推动其工业化进程。

  3.1 层层组装 在用于制备多层材料的现有技术当中,层层组装技术表现出了诸多优势,由于其是靠较小的作用力使得材料间自发结合从而逐层沉积在表面,所以对维持材料本身的结构与性质很有帮助,应用上也并不仅局限于几种材料,其间作用力通常包括静电相互作用、氢键、配位键、共价键、疏水相互作用。

  3.2 接枝改性 通过化学或物理手段均可以对纤维表面进行接枝处理,使纤维膜表面产生自由基,其中包括化学接枝法、等离子体接枝法和高能辐射接枝法等,均可以有效提高材料性能,广泛应用于过滤分离及电池隔膜等领域,但目前还存在成本效益问题。

  综上所述,纳米纤维材料经过改性后可以表现出高吸湿性、生物相容性、抗菌性、高疏水性、高保暖性等特性,为人们的生活带来更多便利、舒适与健康。科研人员通过共混纺丝和同轴纺丝等方法,利用材料间的聚合或还原反应获得了不同性能和结构的功能性纳米材料,但现阶段利用上述方法制备纳米材料的过程中仍存在一些问题,比如纳米粒子的团聚现象、材料间的相容性差、功能层易剥离、成本效益失衡等,都值得进一步的研究予以改善。基于这些研究基础,可以展望未来在以下方面要实现突破:(1)研究增强功能性纳米材料结构及性能稳定性的方法,进一步拓展其应用领域;(2)探索可用于静电纺丝且与其他材料相容性较好的新型材料,实现更多种功能的结合;(3)探索制备功能性纳米材料时可用的生物降解材料以及环保型整理技术,实现其可持续性发展。

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