靜電紡絲法制備納米復合纖維研究進展

近年來，隨著科技的迅猛進步，各行業(yè)對高性能材料的需求呈現出持續(xù)不斷的增長態(tài)勢。在這樣的大背景下，如何巧妙地運用靜電紡絲技術，充分挖掘其潛力，開發(fā)出具備更優(yōu)異性能和多樣化功能的復合纖維材料，已然成為材料科學領域備受矚目的研究熱點。這不僅是滿足行業(yè)發(fā)展需求的關鍵所在，更是推動材料科學向更高水平邁進的重要驅動力。

本研究聚焦于通過靜電紡絲技術制備多種新型復合纖維材料，深入探討其制備工藝、性能特點以及實際應用場景，旨在為復合纖維材料領域的進一步發(fā)展提供有價值的參考和借鑒，推動該領域在材料科學與工程領域的不斷創(chuàng)新與進步。

1 通過靜電紡絲制備超吸水納米纖維材料的研究進展

Gu 等人制備的PAA - AM/PVA水溶性聚合物不僅展現出良好的可紡性，而且經熱處理后的PAA - AM/PVA超吸水納米纖維膜具備了出色的吸濕性能，其吸濕性能遠遠優(yōu)于棉纖維。Ding則通過深入研究紡絲電壓、噴孔直徑及固化距離對纖維材料形貌和纖維直徑的影響，以及熱交聯(lián)溫度和熱交聯(lián)時間對靜電紡吸水纖維吸水倍率的影響，發(fā)現經過 130 ℃處理10 min后，其吸水倍率可達到最高值 262 g/g。通過靜電紡絲制備的超吸水納米纖維材料在醫(yī)療用品及防護品、藥物稀釋劑、油水分離、離子提純劑以及分離提純等多個領域均展現出巨大的應用潛力。這些研究成果不僅豐富了超吸水納米纖維材料的制備技術，也為其在更多領域的實際應用奠定了堅實基礎，有望進一步推動相關領域的發(fā)展與創(chuàng)新。

2 通過靜電紡絲制備不同形態(tài)結構納米纖維的研究進展

納米纖維的結構堪稱其性能表現與應用拓展的核心要素，對材料的整體行為起著決定性的關鍵作用。在靜電紡絲過程中，諸如溶劑的種類差異、工藝參數的精細調控以及添加物的運用等諸多因素，均能夠深刻地影響納米纖維的形態(tài)結構，進而賦予材料豐富多樣且各異的物理化學特性。Yu以聚苯乙烯為原料成功制備了平均直徑分別為250 nm和 500 nm的兩種串珠納米纖維復合材料，并針對其進行了容塵阻力測試。研究發(fā)現，纖維平均直徑為250 nm的串珠纖維復合濾材在經過去靜電處理后加載 ISO12103-1A1 超細灰時，展現出卓越的過濾性能，達到終止阻力所需時間最長，長達7520 s，相較于相同直徑范圍的納米纖維復合濾材多出1522 s，這一顯著優(yōu)勢使得該材料在濾材過濾領域脫穎而出，展現出廣闊的應用前景。Zhen等人則選取聚乳酸（PLA）作為原料，通過分別采用三種不同的溶劑精心制備紡絲液，并運用靜電紡絲法成功制備出聚乳酸納米纖維。在研究過程中，深入探討了溶劑、電壓、溶液質量分數等因素對纖維形貌和直徑的影響機制。研究結果明確指出，溶劑的選擇是決定PLA 超細纖維形成的關鍵所在，其中三氯甲烷（CHCl?）與二甲基甲酰胺（DMF）以體積比為 9:1 混合而成的溶劑被證實為PLA靜電紡絲的理想之選。在PLA 質量分數設定為 6%、極距維持在15 cm、電壓調控至25 kV 以及流量控制在2.5 mL/h的優(yōu)化工藝條件下，能夠制備出直徑約為1200 nm 的PLA 纖維，為聚乳酸納米纖維的精準制備提供了重要的工藝參數依據。Yuan 等人選用丙酮作為溶劑，憑借靜電紡絲法開展了聚丙交酯（PLA）及其與己內酯共聚物（PLLA - CL）超細纖維的制備研究。

3 通過靜電紡絲制備優(yōu)秀壓電性能納米纖維材料的進展

壓電材料在傳感器、能量收集器等眾多領域具有重要應用價值，而納米纖維結構能夠為壓電材料帶來獨特的性能優(yōu)勢。通過靜電紡絲技術制備具有優(yōu)秀壓電性能的納米纖維材料已成為當前研究的熱點方向之一。例如，聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物聚乙烯六氟丙烯（PVDF - HFP）因其分子結構中蘊含的強電負性氟原子，具備顯著的壓電性能潛力，成為研究的重點關注對象。Ponnamma 等人將具有特定納米結構的半導體金屬氧化物 TiO?（納米管形態(tài)）和 ZnO（納米花形態(tài)）引入到 PVDF 及其共聚物體系中，通過溶劑混合的方法實現了納米材料在聚合物介質中的均勻分散和精準嵌入，為后續(xù)材料性能的優(yōu)化奠定了堅實基礎。這種復合體系的設計不僅充分發(fā)揮了各組分的優(yōu)勢，還通過協(xié)同效應顯著提升了材料的壓電性能。后處理條件的調控同樣對壓電納米纖維材料的性能提升起著至關重要的作用。適當的熱處理、極化處理以及拉伸工藝等后處理手段能夠進一步優(yōu)化纖維的晶體結構，促進壓電相的形成和生長，調整偶極子的取向排列，從而顯著增強材料的壓電性能。Wang 通過靜電紡絲技術制備聚偏氟乙烯（PVDF）基壓電聚合物納米纖維，系統(tǒng)地探討了靜電紡絲工藝參數、后處理工藝以及摻雜和拉伸工藝對納米纖維性能的影響規(guī)律。通過精心設計后處理工藝，成功制備出具有良好壓電性能的柔性自驅動器件，并深入研究了其在傷口愈合、骨組織工程以及可穿戴壓力傳感器等前沿領域的應用潛力。Fan 等人則以靜電紡絲技術為核心的材料制備方案，深入開展對比研究。他們通過介電泳定向技術對基于BCTZ的柔性壓電納米發(fā)電機進行處理，發(fā)現無序的BCTZ納米短棒在 PDMS 中能夠沿電場線實現一致取向排列，使得納米發(fā)電機的開路電壓和短路電流分別顯著提升至2.2 V和 90 nA。同時，利用平行鐵絲電極收集的 BCTZ 納米纖維具有良好的一致取向性，由此制備的納米發(fā)電機在規(guī)律性彎折作用下，輸出的最大開路電壓達到3 V，短路電流高達110 nA。這些實驗數據清晰地表明，介電泳和平行電極技術能夠有效地提高納米纖維的取向性，進而大幅度改善其壓電性能。這一系列研究成果充分證明了無鉛BCTZ壓電陶瓷材料在生物力學能量采集等領域具有廣闊的應用前景，為未來壓電材料的發(fā)展提供了重要的理論依據和實踐指導。

4 通過靜電紡絲制備納米纖維柔性材料的進展

            Yuan等人開展了一項具有創(chuàng)新性的研究，他們將纖維素溶解于新型離子液體復合溶劑之中，成功構建出低黏度且具備長期穩(wěn)定性的紡絲液。隨后，采用在室溫條件下進行的靜電紡絲法，并結合預凝固過程，制備出了再生纖維素基電紡納米纖維。為了進一步提升材料性能，他們通過與導電材料聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩） - 聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）進行復合，實現了納米自組裝過程，最終獲得了柔性表皮電極。研究結果表明，所制備的纖維素電紡納米纖維柔性表皮電極展現出一系列優(yōu)異的特性。其具有排列有序的網狀結構以及豐富多樣的孔道結構，這種獨特的微觀結構賦予了材料良好的透氣性和柔韌性。同時，材料呈現出纖維素 Ⅱ 晶型結構，這為其提供了穩(wěn)定的物理化學性能基礎。在性能優(yōu)化方面，當PEDOT:PSS體積分數達到20%時，電極的拉伸性能和黏附性達到最優(yōu)狀態(tài)，此時應變?yōu)?/span>9.8%，楊氏模量為0.04 MPa，并且對玻璃和豬皮展現出較高的黏合力，分別為17.8 N/m和14.7 N/m。這些優(yōu)異的力學性能和黏附性能使得該電極在實際應用中能夠更好地貼合不同基底表面，確保信號傳輸的穩(wěn)定性和可靠性。尤為重要的是，該電極在10_?2 - 10? Hz的寬頻率范圍內表現出低電極 - 皮膚電接觸阻抗，這一特性使得能夠高效地采集和傳輸生物電信號，從而能夠產生高質量的肌電和心電信號，為生物醫(yī)學監(jiān)測領域提供了一種極具潛力的新型柔性電極材料。這一研究成果不僅為納米纖維柔性材料的制備和性能優(yōu)化提供了新的思路和方法，也為其在生物醫(yī)學工程等領域的實際應用奠定了堅實的基礎，推動了柔性材料技術的進一步發(fā)展。

5 通過靜電紡絲制備納米纖維吸波材料的進展

  隨著現代電子設備在各個領域的廣泛普及應用，以及電磁環(huán)境愈發(fā)呈現出復雜多變的態(tài)勢，電磁干擾問題日益凸顯，已然成為制約電子設備性能提升、影響其穩(wěn)定性和可靠性的關鍵因素之一。在此背景下，納米纖維吸波材料憑借其獨特精妙的結構和卓越優(yōu)異的性能，脫穎而出成為解決這一棘手問題的關鍵核心材料之一。而靜電紡絲技術，以其獨特的制備原理和工藝優(yōu)勢，為納米纖維吸波材料的高效制備提供了切實可行的有效途徑，成為該領域研究的重要手段。Zhang等人開展了一項具有重要意義的研究工作，他們選用聚乙烯吡咯烷酮作為原材料，并以 N,N - 二甲基甲酰胺作為助溶劑，采用靜電紡絲技術與高溫煅燒法相結合的方式，成功制備出了碳納米纖維。隨后，使用電沉積法，在已制備的碳納米纖維表面完成了苯胺單體的聚合反應，最終成功制備出核殼型碳納米纖維@聚苯胺納米復合材料。通過對該納米復合材料進行全面深入的吸波性能測試，結果表明：其綜合吸波性能相較于單一的碳納米纖維有了極為明顯的提升。具體而言，在厚度僅為4.42 mm的情況下，該復合材料展現出了最強反射損耗高達- 44.16 dB的卓越性能。

6 結語

  靜電紡絲技術在新型復合纖維材料的制備領域展現出了非凡的潛力和廣闊的應用前景。通過對超吸水納米纖維材料、不同結構納米纖維材料、具有優(yōu)秀壓電性能納米纖維材料、納米纖維柔性材料以及納米纖維吸波材料的制備研究，我們清晰地看到了這一技術在多方面的卓越表現。然而，盡管取得了顯著進展，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，在大規(guī)模生產中如何進一步優(yōu)化工藝以確保產品質量的穩(wěn)定性和一致性，以及如何降低生產成本以實現工業(yè)化應用等。未來的研究需要更加深入地探索材料的微觀結構與宏觀性能之間的關系，開發(fā)新的材料體系和工藝方法，加強跨學科合作，以推動靜電紡絲技術制備的復合纖維材料在更多領域實現廣泛應用，為材料科學與工程領域的持續(xù)發(fā)展注入源源不斷的動力，滿足現代社會對高性能材料日益增長且多樣化的需求。

文章來源：  《染整技術》   http://k2057.cn/w/kj/31870.html