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1、1静电纺丝制备一维纳米材料的研究进展静电纺丝制备一维纳米材料的研究进展静电纺丝制备一维纳米材料的研究进展静电纺丝制备一维纳米材料的研究进展何海勇，王启宝，程爱国中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院 北京 100083摘摘摘摘要：要：要：要：本文对静电纺丝制备一维纳米材料的基本原理和最新研究进展进行了评述，重点介绍了电纺装置的改进及其制备具有特殊形貌的一维纳米材料的方法，另外对静电纺丝技术的发展趋势进行了展望。关键词：关键词：关键词：关键词：静电纺丝；纳米材料；应用；研究进展1 1 11前言前言一维纳米材料由于其特殊的性能和独特的应用前景成为研究热点1。目前制备一维纳米材料的方法主要有：模板法
2、、溶剂热法、气相液相固相生长法和静电纺丝（简称电纺）等。模板法是公认廉价、高效、简单的制备方法2，可分为软模板和硬模板两种，软模板主要是棒状胶束和微乳液为模板，嵌段共聚物分子自组装和生物大分子为模板，而硬模板主要采用的是氧化铝模板、聚合物模板以及碳纳米管模板，但该法很难制备出单根较长的纳米纤维；溶剂热法3是将反应物和溶剂按一定的比例混合放入高压釜中，该法要求溶剂的温度和压强都高于临界点，这样绝大多数的反应物都可以溶解于溶剂中，促使反应在液相或者气相中进行，溶剂在反应过程中能控制晶体形貌的生长，不同溶剂可以得到不同形貌的产物，因此可获得纯度高、晶型好、单分散和形貌可控的纳米材料，该法的不足之处在
3、于产率低，形貌控制的均一程度不够理想；气相液相固相法4是将所要制备的一维纳米材料的材料源加热形成蒸气，气态反应物溶入到金属催化剂的液滴中，然后在其中成核生长,最后反应物在催化剂液滴的控制下逐渐长成纳米棒、纳米线等，气相液相固相法制备的一维纳米材料一般为单晶，产率高，但是过程中必须采用金属催化剂，有可能对产物造成污染；而静电纺丝在制备较大长径比的一维纳米材料（即纳米纤维）方面具有独特的优势5，Formbals 等6早在 1934 年就提出静电纺丝，由于对其过程不够了解，使电纺的开发利用受到限制，直到 20 世纪 90 年代中期，Ranke 等人7-9利用电纺技术制备出了具有独特、有趣结构的各种材
4、料的纳米纤维，使电纺方法重新得到人们的重视。2 2 22电纺基本本原理电纺基本本原理电纺的基本原理是高分子溶液（材料源）在电场下拉伸固化，形成纳米纤维。电纺装置如图 1 所示10，由金属喷丝头、接收屏和高压电源组成，在喷丝头和接收屏之间施以高压，喷丝头尖端的高分子溶液液滴表面就会富集电荷，在电场中产生电应力，其强度由电压和接收距离决定，电应力与液滴表面的作用力相互作用形成 Talor 锥，当电场强度超过一个临界值，液滴表面就会变得不稳定而形成喷射流，喷射流在电场中拉伸变细同时溶剂挥发固化沉积到接收屏上而制备出纳米纤维。http:/ 2图 1 电纺装置示意图影响纳米纤维的形貌和性质的主要电纺参数
5、有以下三个11-14：电纺溶液的性质：如溶液的浓度和电导率，溶剂的挥发性，高分子的种类和性质；电纺条件：如电场强度，电纺的工作距离，给料速度等；电纺环境：如温度，湿度和气流速度等对形貌也有影响。溶剂的挥发性和浓度对纳米材料纤维的制备具有较大影响，若溶剂挥发性差，纺丝在到达接收屏时溶剂残留较多，高分子材料源未能完全固化，在电场力作用下纤维之间相互挤压则导致纤维粘接，形成结点；而溶剂挥发过快则容易使喷丝头堵塞。对于同一高分子溶液体系，溶液浓度对纺丝形貌也有很大影响，浓度较低时溶液的粘度较低，高分子之间的作用力较弱，在拉伸的过程中容易断裂，同时由于表面张力的作用，断裂的纤维变成颗粒状；浓度过高时高分
6、子之间的作用力较大，电场力不足以将其拉伸也会影响电纺效果，只有适当浓度的溶液才可以纺出比较好的纳米纤维。电纺过程另外一个重要影响因素就是电纺电压，电压较大时 Talor 锥上的电荷密度较高，纺丝在拉伸的过程中受到的电场力就越大，可以得到直径更小的纤维而且串珠减少，但并非电压越高越好，Deitzel 等13研究了电纺电压对纤维形貌的影响，发现随着电压增大，纤维表面变得更粗糙。3 3 33国内外研究新进展国内外研究新进展3.13.13.13.1装置的改进装置的改进近些年许多研究者根据各自的需要对电纺装置做了一些改进。Benfanmin Chun15等人用一个转动的圆柱体作为接收器，喷丝头固定在一个
7、可移动的支架上，大大提高了接收面积，并且在圆柱体的旁边安装一个加热棒来加速溶剂挥发。普通的电纺装置只有一个喷丝头因此效率很低。为了解决这一问题，A.L.Yarin 等人16把 Fe3O4分散到硅油中，将其倒入一个圆盘中，在两个电极之间加一个 70mT 的磁场，在磁场的作用下液体表面形成许多稳定的类似 Talor 锥的锥体，将聚氧乙烯溶液小心的倒在磁性液体的上层，施加电压后每个锥体相当于一个喷丝头，这样就大大提高了电纺的效率。3.23.23.23.2形貌控制的最新进展形貌控制的最新进展电纺丝的形貌和尺寸主要受到电纺参数的控制，在一般的电纺过程中控制各项参数的主要目的是为了得到表面光滑的纳米纤维和
8、减少串珠和结点。江雷等人17用适当浓度聚苯乙烯http:/ 3的 N,N-二甲基甲酰胺溶液，电纺得到一种具有多孔微球与纳米纤维复合结构的膜，这种膜有类似荷叶表面的结构，具有超疏水的性能，因此有可能作为仿生材料。纳米管和具有核-壳结构的纳米线在微流控、催化和药物释放等领域有广泛的应用。共轴电纺被认为是制备上述结构最有效的方法，Locertales 等18首先用粗细不同的两根毛细管共同组成一个喷丝头制备出具有核壳结构的纳米颗粒；2003 年 Sun19成功的运用该法制出具有核壳结构的纳米线；赵勇等20自制了一套多流体复合电纺装置，该装置中喷丝头是由一个直径较大的外喷管和多个直径较小的内喷管组成，以
9、钛酸异丙醇酯/聚乙烯吡咯烷酮为外层流体，液体石蜡为内层流体，将该纤维煅烧后可得到多通道的微纳米管，其结构与自然界中鸟类的羽毛很相似，有望在新型仿生材料领域得到应用。多孔结构的纳米纤维具有较大的比表面积，在催化、过滤、吸附、组织工程等领域有广泛的应用前景。用静电纺丝技术制备多孔的纳米纤维也成为了研究热点，该法制备多孔结构的纳米纤维主要有两种途径：一是将不同的两种组分混合纺丝，再选择性的除去其中一种组分产生多孔结构；另外也可通过调整电纺参数在电纺过程中发生相分离来制备。YoungYou等21将聚乙二醇与聚乳酸的四氢呋喃溶液按一定的比例混合，然后进行电纺，用 CHCl3将聚乳酸溶掉得到多孔的纳米纤维
10、；YounanXia 等22用液氮来接收纺丝，纺丝中没有挥发掉的溶剂迅速凝结，产生相分离，溶剂再次挥发后便产生多孔结构的纳米纤维。此外一些研究小组还通过对电纺过程参数的控制、装置的改进和对纺丝进行一些后期的处理也得到许多特殊结构的纳米纤维，如毛刷结构23、螺旋结构24，25、有序阵列26，27等。3.33.33.33.3应用应用静电纺丝具有简单高效和普遍适用性，与其他制备方法相比，静电纺丝制备的一维纳米材料具有许多独特的结构和性质，因此在许多领域都有着很好的应用前景。3.3.13.3.13.3.13.3.1传感器传感器大部分的传感器主要作用原理是依赖分析物分子与传感器之间的相互作用，这些相互作
11、用包括：物理吸附、化学反应和光的吸收等。用电纺制得的膜具有较大的比表面积，它的多孔结构可以使气体迅速扩散到整个膜的电纺细纤维上，这种方法制得的传感器就有更高的灵敏度。Thomas Hahn等人28用金属氧化物分散于聚丙烯腈溶液中制备出的复合电纺丝膜在CO2检测中得到了应用；Seimei Shiratori29等人的研究结果表明，在NH3检测中以电纺丝包覆的电子微量天平比聚丙烯酸膜包覆的检测灵敏度高四倍，最低可达到130ppb；Sang KyunChae等人30将聚环氧乙烷与已三炔衍生物混合纺丝，在纺丝过程中已三炔单体进行自组装，该复合纤维在-环糊精溶液中产生红色的荧光，而在和型的环糊精中荧光很
12、微弱，因此可以作为传感器来检测不同类型的环糊精。3.3.23.3.23.3.23.3.2作为其他一维纳米材料的前驱体作为其他一维纳米材料的前驱体电纺纤维可作为制备其他一维纳米材料的前驱体，YouNan Xia 等31报道了用聚乙烯吡咯（PVP）烷酮与钛酸四丁酯的混合溶液进行电纺，得到 PVP 与 TiO2的复合纤维，经过煅烧后除去有机物质可得到金红石型的 TiO2纳米纤维，并可以通过调节各项参数来控制纤维尺寸；邵长路等32将聚乙烯醇与醋酸镍溶解在去离子水中，制得前驱体，采用静电纺丝法，得到复合纤维，煅烧后制得纯的 NiO2纳米纤维。http:/ 44 4 44结束语结束语由于静电纺丝技术在制备
13、一维纳米材料方面适用范围广，近十年来得到了迅速发展，该方法可制备多种材料的一维纳米材料，且操作简单，并能通过调整电纺溶液的性质、电纺电压、电纺环境等参数实现一维纳米材料结构多样化。在微流控、药物释放、新型传感器的研制、组织工程、仿生材料以及催化、过滤、吸附等领域有广泛的应用前景。但静电纺丝技术目前还存在效率较低、纤维直径不均匀等问题，电纺的详细机理尚不明确。因此，改进电纺装置、提高电纺效率，控制纤维的形貌和尺寸，研究电纺机理是下一步的研究重点。参考文献参考文献参考文献参考文献1Y.Xia,P.Yang,Y,Sun,Y.Wu,etal.One-dimensional nanostructures
14、:synthesis,characterization,and applicationJ.Adv,Mater,2003,15(5):353-3892P.H.Zhou,D.S.Xue,H.Q.Luo,etal.Fabrication,structure and magnetic properties of highly orderedPrussian Blue nanowire arrays,Nano.Lett.2002,2(8):8458493YangQ,TangKB,WangCR,etal.PVA-Assisted Synthesis and Characterization of CdSe
15、 and CdTeNanowires.Journal of physics chemisty.BJ.2002,106(38):9227-9230.4WuY.Y,ZhouP.D.Superconducting MgB2NanowiresJ.Advanced Materials,2001,13:1487-14895Deitzel JM,KleinmeyerJ,Hirvonen JK,etal.Controlled deposition of electrospun poly(ethylene oxide)fibers.Polymer,2001,42:8163-8170.6A.Formhals,US
16、.Pat.1975504(1934)7Reneker DH,ChunI.Nanometre diameter fibres of polymer-produced by elect rospinning J.Nanotechnology,1996,7(3):216-223.8DoshiJ,Reneker DH.Electrospirnning process and application of electrospun fibersJ.J Electrostatics,1995,35:151-160.9H.Fong,I.Chun.D.H.Renker.Beaded nanofibers for
17、med during electrospinningJ,Polymer,1999,40:4585-4592.10YarinAL,Koombhongses,Reneker DH.Talorcone and jetting from liquid droplitsinelectrospinning ofnanofibersJ.Appl phys,2001,90(9):4836-484611朱丹丹，李从举，王佩杰等.溶剂对电纺聚苯乙烯的可纺性及“珠粒”形貌形成的影响J.北京服装学院学报（自然科学版），2006，26（1）:1-612Xiao-Hong,En-Long Yang,Ni Li,etal.
18、Effect of different salts on electrospinning of PolyacrylonitrilePolymer solution.Journalof Applied Polymer ScienceJ.2007;103:3865-3870.13Deitzel JM,Kleinmeyer J,Harris D,etal.The effect of processing variables on the morphology ofelectrospun nanofibers and textiles.Polymer,2001,13(5):674-272.14Dosh
19、i J,Reneker DH.Electrospinning process and applications of electrospun fibers.Journal ofElectrostatics.1995,35:151-160.15 Xinhua Zong,Kwangsok,Kim,Bufei Fang,etal.Structure and process relationship of electrospunbioabsorbable menbranesJ.Polymer,2002,43:4403-441216A.L.Yarin,Z.Zussman.Upward needleles
20、s electrospinning of multiple nanofibersJ。Polymer,2004,45:2977-2980.17LeiJiang,YongZhao,JinZhai.Alotus-leaf-like super hidrohpobic surface:microsphere/nanofibercomposite film prepared by electrohydrodynamicsJ.Angewandte Chemie International Edition.2004,43:4338-4341.18LoscertalesI G,BarreroA,Guerrer
21、oI,etal.Micro/nano encapsulation via electrified coaxial liquid jetsJ.http:/ 5Science,2002,295:1695-1698.19Sun ZC,ZussmanE,YarinAL,etal.Compound core-shell polymer nanofibers by co-electrospinningJ.Advanced Materials,15(22):1929193620YongZhao,Xinyu Cao,LeiJiang.Bio-mimic multichannel microtubes by a
22、 facile methodJ.Journal oftheAmerican Chemical Society,2007,129:764-765.21YoungYou,JiHoYouk,SungWonLee,etal.Preparation of porous ultrofine PGA fibers via selectivedisolution of electrospun PGA/PLA blend fibersJ.Materials Letters,2006,60:757-756.22JesseT.McCann,Manuel Marquez,Younan Xia.Highly porou
23、s fibers by electrospinning into a cryogenicliquidJ.Journal oftheAmerican Chemical,2006,128(5):1436-1437.23HouH,RenekerD.H.Carbon nanotubeson.carbon nanofibers:ANovel structure basedon.electrospunpolymer nanofibersJ.Advanced Materials,2004,16:6972.24R.Kessick,G.Tepper.Microscale polymeric helical st
24、ructures produced by electrospinningJ.AppliedPhysics Letters,2004,84:4807480925LinT,WangHX,WangXG.Self-crimping bicomponent nanofibers electrospun from polyacrylonitrile andelastomeric polyurethane.J.Advanced Materials 17(22):26992703.26Li D,WangY,XiaY.Electrospinning Nano-fibers as Uniaxially Align
25、ed Arrays and Layer-by-layer StackedFilmsJ.Advanced Materials.2004,16:361-366.27Mo,X.M.,Xu,C.Y.,Kotaki,M.,etal.Electrospun P(LLA-CL)nanofiber:a biomimetic extracellular matrixfor smooth muscle cell and endothelial cell proliferationJ.Biomaterials,2004,25:18831890.28R.Luoh,H.Thomas Hahn.Electrospun n
26、anocomposite fiber matsasgas as sensorsJ.Composites Scienceand Technology.2006,66:2436-2441.29Bin Dinga,Michiyo Yamazakia,Seimei Shiratoria.Electrospun fibrous polyacrylic acid membrane-based gassensorsJ.Sensors andActuators.B,2005:477-483.30Sang Kyun Chae,Hyunwook Park,JaewonYoon,etal.Polydiacetyle
27、ne Supramolecules in ElectrospunMicrofibers:Fabrication,Micropatterning,and Sensor ApplicationsJ.2007,19(4):521-524.31DanLi,YounanXia.Fabrication of titania nanofibres by electrospinningJ.Nano Letters,2003,3(4):555-560.32邵长路，关宏宇，温尚彬等.静电纺丝法制备NiO纳米纤维及其表征J.高等学校化学学报,2004,25:1013-1015.Reserarch Progress
28、in Manufacture of One-dimensionNanomaterials by ElectrospinningHe Haiyong，WangQibao，Cheng AiguoSchool of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining andTechnology(Beijing),Beijing 100083AbstractAbstractAbstractAbstractIn this paper,a brief summary of research on the basic princ
29、iple and recent development ofmanufacturing one-dimension nanomaterials by electrospinning is presented.In particular,modifications of the setup for electrospinning are introduced and the manufacturing methods ofsome nanofibers with novel structure arealso described.In addition,the prospects of electropinningare proposed.Keyworlds:Keyworlds:Keyworlds:Keyworlds:electrospun；nanomaterials；application；research progresshttp:/ 6作者简介：作者简介：何海勇，男，1981 年生，硕士研究生Email:http:/