靜電紡絲納米材料的應用

王 巍

吉林化工學院材料科學與工程學院，吉林 吉林 132022

一維納米結構具有獨特性質，在眾多領域內的應用，是近年的一個研究熱點，越來越多先進技術（如物理氣相沉積、刻蝕技術、電紡絲技術、溶膠-凝膠法、溶劑熱法、化學氣相沉積等）用于制備一維納米結構。在眾多的方法中，電紡絲技術被公認為是制備一維納米材料的一種簡便、高效的手段。由于所制備出的材料具有多功能性，采用該技術所得到的一維納米復合材料可應用于眾多應用領域，如電子和光學設備，化學和生物傳感器，催化和電催化，超疏水表面，環境，能源和生物醫學等領域。

1 電子與光學納米設備

近些年來，金屬與半導體納米線結構的電學與光學性質引起人們的廣泛關注，將金屬與半導體的納米結構制作成了各種納米尺度的電子與光電設備。使用靜電紡絲技術所合成的納米材料也可應用于電子設備與光電設備中。Zhou Y 等[1]使用靜電紡絲技術制備了具有不同直徑的聚苯胺/聚環氧乙烷納米復合纖維，通過表征發現復合纖維的電學性質依賴于纖維的直徑，當纖維直徑小于15nm 時，纖維是電絕緣的，反之導電。

利用靜電紡絲技術可以制備出電學雙穩態裝置。Shang T C 等[2]采用該技術制備出Ag-NP/TCNQ/PVP 納米纖維。所合成的纖維器件具有雙穩態電學性質，當電勢低于+29V 時，電流非常低，說明此時器件阻抗很高，當電勢大于+29V 時，電流突然增大，纖維電阻升高到100Ω，實現了從低電導“關”狀態到高電導的“開”狀態之間的變化。這種變化的實現，只是通過簡單施加一個反向偏壓脈沖，就可以從“關”狀態變化到“開”狀態，而且雙穩態性質穩定、可重復。因此，可以使用紡絲技術制備金屬納米粒子與聚合物的復合材料，這種材料可用于非揮發性存儲器件。

2 化學與生物傳感器

Li Z Y 等[3]采用電紡絲技術合成了具有良好的濕度傳感特征的LiCl 摻雜TiO2納米復合纖維。與純TiO2納米纖維相比，LiCl 摻雜后的TiO2納米復合纖維具有更好的靈敏度和快速響應恢復行為。同時，傳感器也表現出了良好的穩定性和重復性，傳感器10 次循環后，其最高和最低阻抗值只發生了微小的改變。并且，將所合成納米復合纖維置于室溫條件下30d 后，其阻抗值幾乎沒有改變。

采用電紡絲技術除了可以制備濕度傳感器，還可以制備以聚苯胺/聚環氧乙烷納米纖維為基礎的氣體傳感器。采用這種技術所制備的傳感器置于0.005‰ NH3時，表現出快速可逆的電阻變化，響應時間與纖維的直徑大小有關。與傳統的聚苯胺膜傳感器相比，聚苯胺/聚環氧乙烷復合纖維傳感器的響應時間和敏感性有了巨大的改善，因此電紡絲技術能制備出應用于傳感技術中的一維納米復合纖維材料。

3 催化與電催化

采用電紡絲技術可制備陶瓷納米纖維材料，而陶瓷納米材料已被用作光催化劑來使用。同時，電紡絲得到的纖維氈具有多孔性和大的比表面積，因此采用電紡絲技術所制備的纖維氈被公認為是良好的催化劑載體。采用電紡技術制備聚合物纖維氈或陶瓷纖維氈為基礎的復合材料催化劑可通過兩種方式：一種是先電紡聚合物或陶瓷前驅體與金屬鹽的混合溶液，得到了復合纖維氈后，利用高溫煅燒或還原劑，得到納米纖維中的金屬鹽，最后制得金屬/聚合物或者金屬/陶瓷的納米纖維；另一種手段為納米纖維氈的后處理法，使得纖維表面最終沉積了大量金屬粒子。Chen 等[4]首先采用了電紡絲技術制得聚丙烯腈/醋酸鈀納米復合纖維，然后將制得的納米復合纖維通過碳化過程轉變為碳/鈀纖維。并且，Hou 等[4]還研究了碳/鈀復合纖維在液相碘苯和苯乙炔的碳-碳偶合反應中的催化活性，結果表明碳化后的電紡碳/鈀復合纖維表現出了良好的催化活性。

Patel 等[5]電紡了正硅酸乙酯、聚三甲氧基硅烷甲基丙烯酸甲酯和硝酸銀的混合溶液，然后通過高溫焙燒得到了含有銀粒子的多孔二氧化硅納米纖維。焙燒后PMCM 被熱分解掉， 硝酸銀轉變為銀粒子，形成了多孔的SiO2/Ag 復合纖維。通過改變硝酸銀摻雜量以及熱處理溫度，實現了對纖維中銀粒子大小和密度的控制。通過表征發現，銀粒子均勻地分散在多孔二氧化硅纖維中。以NaBH4為還原劑還原亞甲基藍時，該復合纖維具有良好的催化特性，并且無減活化作用和中毒現象。

4 超疏水表面

超疏水表面要具有分等級的微米結構和低的表面能。這種微米及納米的結構可以通過電紡絲技術來制備。近年來，具有微米/納米結構的電紡聚合物纖維氈已經用于超疏水表面。Ding 等[6]使用靜電紡絲技術得到了具有親水性的醋酸納米纖維。若使用正癸基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的溶膠-凝膠涂層對纖維進行化學修飾，則纖維就會由親水性變成疏水性。因此，電紡絲制得的纖維氈的疏水性是由表面高正癸基三甲氧基硅烷溶膠-凝膠涂層引起的。

采用靜電紡絲技術還可以制備能在超親水性與超疏水性之間相互轉換的智能材料。Zhu 等[7]采用該種技術制備了隨溫度變化的聚異丙基丙烯酰胺/聚苯乙烯復合膜，材料潤濕性可以從20℃的親水性變成50℃的疏水性，聚異丙基丙烯酰胺對復合膜的表面性質起到了至關重要的作用。另外，pH 值改變以及氧化還原性也可改變材料表面的潤濕性。還有學者采用電紡絲技術制備了聚丙烯腈/聚苯胺同軸纖維。PANI 的導電性，可以通過摻雜酸或堿來改變，實現了在導電聚苯胺鹽與絕緣的聚苯胺堿之間的轉換。對于全氟辛基磺酸摻雜的聚苯胺，纖維表面引入了疏水性官能團，此時纖維表現出了超疏水性。當pH 值為13.07 時，接觸角又變成0°左右，這個潤濕過程是可逆的，可多次重復進行。

5 環境

當今社會，水的重金屬污染問題和空氣的有毒性氣體污染問題，已成為全球重要的環境污染問題。對于水的重金屬污染以及空氣的有毒氣體，常采用吸附手段來去除污染物。使用電紡絲技術制得的納米纖維氈由于具有大的比表面積，并且制備起來費用低，而被用作環境清潔材料。采用靜電紡絲技術將無機納米粒子摻雜到纖維中，所制備的清潔劑可以阻止納米粒子釋放到環境中，并且可以減少從水中分離出清潔材料時所帶來的費用。將勃姆石納米粒子摻雜到親水的尼龍以及疏水的聚己內酯中，此時納米復合纖維吸附Cd2+的能力可以達到0.2mg/g。

神經類毒氣、芥子氣等軍用毒劑可帶來嚴重的環境問題。采用靜電紡絲技術制備了含有聚氯乙烯的復合纖維，用于解毒神經類毒氣，該納米復合纖維能夠對氧磷類神經毒劑有效地解毒。采用電紡絲技術所制備的一維納米復合材料還可以通過過濾而用于環境領域。

6 能源

目前，能源問題已成為全球最主要的問題之一。礦物能源（包括煤、石油和天然氣）在為人類提供所需的大部分能源的同時，也給人類社會造成了一定的困擾，如礦物能源不可再生問題，以及礦物質燃燒排放物嚴重地污染了生態環境，造成了全球氣候變暖，因此有必要發展新型而高效的清潔能源。利用電紡絲技術制備的TiO2納米纖維由于具有大的比表面積，提高了染料敏化劑的吸附能力，因而被廣泛應用于太陽能電池的電極。為了提高TiO2納米纖維與導電基片之間的黏附性，科學家又進一步采取了其他方法，例如將釕染料摻雜到TiO2納米纖維，形成了染料敏化太陽能電池復合材料，此時電池的電流密度達到13.6mA/cm2，填充數為51%，能量轉換率達到5.8%。

7 結束語

采用靜電紡絲技術所制備的納米材料，由于具有多功能性，可用于電子與光學設備、化學與生物傳感器、催化與電催化、超疏水表面、環境和能源等眾多領域。采用靜電紡絲技術所制備的材料，在這些領域內都表現出了優異的性質，具有廣泛的應用前景和研究價值。