纳米纤维技术发展和应用
王时博
（江南大学 纺织工程0701班, 江苏无锡, 214122）
摘 要 本文简单介绍了纳米纤维定义、 特点和应用, 关键讨论了纳米纤维制备方法, 包含传统纺丝方法(如:静电纺丝法、 复合纺丝法和分子喷丝板法) 改善以及新兴生物合成法和化学合成法。
关键词 纳米纤维, 技术, 进展, 生物合成, 化学合成, 应用前景
Technology Development and Application of Nanofibers
Wang Shibo
(Jiangnan University textile engineering 0701 class ,Wuxi,Jiangsu 214122,China)
Abstract The conception ,character and application of nanofiber are introduced in this pape
r. Both the traditional preparation ,such as ,electrospinning ,a island bycomponent spinning , molecular spinneret spinning , and new biosynthesis, chemical synthesis are also discusd in detail.
Keywords nanofiber , technology , development , biosynthesis , chemical synthesis, application and prospect
1 序言
伴随纳米材料技术飞速发展, 纳米纤维技术已成为纤维科学前沿和研究热点, 并在电子、 机械、 生物医学、 化工、 纺织等产业领域得到一定应用。纳米纤维技术在传统产业中应用必将提升传统产业。纳米纤维关键包含2 个概念:一是严格意义上纳米纤维, 即纳米尺度纤维, 通常指纤维直径小于100 nm纤维。另一概念是将纳米微粒填充到纤维中, 对纤维进行改性, 采取性能不一样纳米微粒, 可开发抗菌、 阻燃、 防紫外、 远红外、 抗静电、 电磁屏蔽等多种功效性纤维。
2 纳米纤维制备技术进展
2. 1 静电纺丝法[1～4]
静电纺丝技术是现在制备纳米纤维最关键基础方法。这一技术关键, 是使带电荷高分子溶液或熔体在静电场中流动并发生形变, 然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化, 于是得到纤维状物质完美小姐进化论 动漫, 这一过程简称电纺。
现在电纺技术已经用于几十种不一样高分子, 即包含大品种采取传统技术生产合成纤维, 如
:聚酯、 尼龙、 聚乙烯醇等柔性高分子电纺。另外, 包含蚕丝、 蜘蛛丝在内蛋白质和核酸(DNA) 等生物大分子也进行过电纺试验。尽管所用材料十分广泛, 不过现在电纺纤维总是以在搜集板负极上沉积非织造布形式而制得生活美文, 其中单纤维直径能够随加工条件而改变, 经典数值为40 nm～2μm , 甚至能够跨越10 nm～10μm 数量级, 即微米、 亚微米或纳米材料范围。
电纺纤维最关键特点是所得纤维直径较细, 新形成非织造布是一个有纳米微孔多孔材料, 有多个潜在用途。不过, 现在电纺技术在推广上存在一定技术问题:第一, 此法得到只能是非织
造布, 而不能得到纳米纤维相互可分离长丝或短纤维;第二, 现在静电纺丝机产量很低, 难以大规模应用;第三, 因为多数条件下静电纺丝中拉伸速率较低, 纺丝旅程很短, 结果电纺纳米纤维强度较低。
现在对电纺进行改善能够提升其产量, 其中转子纺丝机则是在原有静电纺丝机上使用多头喷丝来提升电纺产量;另一个改变使电纺流体带电荷方法是等离子放电法或电荷直接注入法, 比如电晕放电或场发射电子枪。采取这一类新方法, 电纺中纺丝液流量可达50 ml/ s , 比试验纺丝机产量提升了多个数量级。
2. 2 复合纺丝法[1]
将复合纺丝法生产超细纤维推向极至, 能够得到纳米纤维。比如, 美国Hills 企业超微细旦纺丝技术, 在每根海岛纤维上有900 个岛, 经过充足拉伸使岛相成为纳米直径微原纤, 再将海相用溶剂洗去, 剩下即是纳米或亚微米纤维。日本东丽企业用此法得到0. 0011 dtex 纳米纤维(约100 nm) , 这种纤维织物完全达成麂皮效果。
2. 3 分子喷丝板法[2]
分子喷丝板由含盘状物组成柱形有机分子结构膜组成, 盘状物在膜上以设计位置定位。盘状物是一个液晶高分子, 是由多年来聚合物合成化学发展而来。聚合物分子在膜内盘状物中排列成细丝, 并从膜底部将纤维释放出来。盘状物特殊设计和定位使它们能吸引和拉伸某种聚合物分子, 并将聚合物分子集束和取向, 从而得到所需结构纤维。
3 生物合成法
实际上, 自然界中一直存在着纳米纤维, 因为受到大家对自然界认识和研究条件限制, 只是在最近二十年中才得以认识并受到重视, 尤其是天然纤维对人类及环境友好性, 更促进了科学界对天然纳米纤维研究。其中, 蜘蛛丝和细菌纤维素纤维是较经典例子。
3. 1 蜘蛛丝[1]
较细蜘蛛丝直径只有100 nm 数量级, 是真正天然纳米纤维。蜘蛛丝是自然界产生最好结构材料之一, 从某种程度上讲, 蜘蛛丝优良综合性能是多种天然纤维与合成纤维所无法比拟, 其比模量优于钢而韧性优于Kevlar 纤维。蜘蛛丝优异力学性能源于其链状分子特殊取向和结晶结构。晶粒尺寸为2 nm ×5 nm×to be continue7 nm 微晶体分散在蜘蛛丝无定形蛋白质基质中起到了极好增强作用。
年1 月, 加拿大Nexia 生物技术企业(NXB) 与美国陆军战士生物化学指挥部( SBC2COM) 科学家合作, 成功地模仿了蜘蛛产丝。她们采取蜘蛛基因, 制备了重组蜘蛛丝蛋白质, 并用这种蛋白质与水组成体系完成了靠近于天然蜘蛛丝蛋白质组成和纺丝过程, 从而生产出世界上首例“人造蜘蛛丝”。
表1 人造蜘蛛丝与天然蜘蛛丝力学性能比较[1]
样品 | 拉伸介质 | 拉伸比 | 韧性 （ ） | 模量 （ ） | 断裂伸长 | 强度（ ） |
样品1 | M/ W | 5 | 0.789 江海会计 | 37.7 | 59.6 | 1.68 |
样品2 | M/ W | 5 | 0.750 | 97.5 | 43.4 | 1.99 |
样品3 | M | 4 | 0.569 | 学游戏开发 55, 7 | solar water heater45.0 | 1.59 |
天然蜘蛛丝 the tourist | 空气 | 不详 | 0. 5～1. 2 | 34～67 | 19～30 | 6.2～9.7 |
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武汉 武汉 注: ①ADF23 为十字圆蛛(araneus diadematus) 重组蛋白质所纺纤维。
②dove和pigeonM 代表70 %～80 %甲醇, W代表水。
