靜電紡絲法制備納米復(fù)合纖維研究進(jìn)展

近年來，隨著科技的迅猛進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)高性能材料的需求呈現(xiàn)出持續(xù)不斷的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在這樣的大背景下，如何巧妙地運(yùn)用靜電紡絲技術(shù)，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(fù)合纖維材料，已然成為材料科學(xué)領(lǐng)域備受矚目的研究熱點(diǎn)。這不僅是滿足行業(yè)發(fā)展需求的關(guān)鍵所在，更是推動(dòng)材料科學(xué)向更高水平邁進(jìn)的重要驅(qū)動(dòng)力。

本研究聚焦于通過靜電紡絲技術(shù)制備多種新型復(fù)合纖維材料，深入探討其制備工藝、性能特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，旨在為復(fù)合纖維材料領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供有價(jià)值的參考和借鑒，推動(dòng)該領(lǐng)域在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步。

1 通過靜電紡絲制備超吸水納米纖維材料的研究進(jìn)展

Gu 等人制備的PAA - AM/PVA水溶性聚合物不僅展現(xiàn)出良好的可紡性，而且經(jīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(shí)間對(duì)靜電紡吸水纖維吸水倍率的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 130 ℃處理10 min后，其吸水倍率可達(dá)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(hù)品、藥物稀釋劑、油水分離、離子提純劑以及分離提純等多個(gè)領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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(shù)，也為其在更多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有望進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展與創(chuàng)新。

2 通過靜電紡絲制備不同形態(tài)結(jié)構(gòu)納米纖維的研究進(jìn)展

納米纖維的結(jié)構(gòu)堪稱其性能表現(xiàn)與應(yīng)用拓展的核心要素，對(duì)材料的整體行為起著決定性的關(guān)鍵作用。在靜電紡絲過程中，諸如溶劑的種類差異、工藝參數(shù)的精細(xì)調(diào)控以及添加物的運(yùn)用等諸多因素，均能夠深刻地影響納米纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而賦予材料豐富多樣且各異的物理化學(xué)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(fù)合材料，并針對(duì)其進(jìn)行了容塵阻力測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，纖維平均直徑為250 nm的串珠纖維復(fù)合濾材在經(jīng)過去靜電處理后加載 ISO12103-1A1 超細(xì)灰時(shí)，展現(xiàn)出卓越的過濾性能，達(dá)到終止阻力所需時(shí)間最長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)7520 s，相較于相同直徑范圍的納米纖維復(fù)合濾材多出1522 s，這一顯著優(yōu)勢(shì)使得該材料在濾材過濾領(lǐng)域脫穎而出，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)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(yùn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)纖維形貌和直徑的影響機(jī)制。研究結(jié)果明確指出，溶劑的選擇是決定PLA 超細(xì)纖維形成的關(guān)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(shí)為PLA靜電紡絲的理想之選。在PLA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為 6%、極距維持在15 cm、電壓調(diào)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(zhǔn)制備提供了重要的工藝參數(shù)依據(jù)。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(nèi)酯共聚物（PLLA - CL）超細(xì)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(jìn)展

壓電材料在傳感器、能量收集器等眾多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，而納米纖維結(jié)構(gòu)能夠?yàn)閴弘姴牧蠋愍?dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。通過靜電紡絲技術(shù)制備具有優(yōu)秀壓電性能的納米纖維材料已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)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(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的強(qiáng)電負(fù)性氟原子，具備顯著的壓電性能潛力，成為研究的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。Ponnamma 等人將具有特定納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了納米材料在聚合物介質(zhì)中的均勻分散和精準(zhǔn)嵌入，為后續(xù)材料性能的優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這種復(fù)合體系的設(shè)計(jì)不僅充分發(fā)揮了各組分的優(yōu)勢(shì)，還通過協(xié)同效應(yīng)顯著提升了材料的壓電性能。后處理?xiàng)l件的調(diào)控同樣對(duì)壓電納米纖維材料的性能提升起著至關(guān)重要的作用。適當(dāng)?shù)臒崽幚怼O化處理以及拉伸工藝等后處理手段能夠進(jìn)一步優(yōu)化纖維的晶體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)壓電相的形成和生長(zhǎng)，調(diào)整偶極子的取向排列，從而顯著增強(qiáng)材料的壓電性能。Wang 通過靜電紡絲技術(shù)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(shù)、后處理工藝以及摻雜和拉伸工藝對(duì)納米纖維性能的影響規(guī)律。通過精心設(shè)計(jì)后處理工藝，成功制備出具有良好壓電性能的柔性自驅(qū)動(dòng)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(lǐng)域的應(yīng)用潛力。Fan 等人則以靜電紡絲技術(shù)為核心的材料制備方案，深入開展對(duì)比研究。他們通過介電泳定向技術(shù)對(duì)基于BCTZ的柔性壓電納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)無序的BCTZ納米短棒在 PDMS 中能夠沿電場(chǎng)線實(shí)現(xiàn)一致取向排列，使得納米發(fā)電機(jī)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(shí)，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(jī)在規(guī)律性彎折作用下，輸出的最大開路電壓達(dá)到3 V，短路電流高達(dá)110 nA。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰地表明，介電泳和平行電極技術(shù)能夠有效地提高納米纖維的取向性，進(jìn)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(xué)能量采集等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為未來壓電材料的發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

4 通過靜電紡絲制備納米纖維柔性材料的進(jìn)展

            Yuan等人開展了一項(xiàng)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(fù)合溶劑之中，成功構(gòu)建出低黏度且具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性的紡絲液。隨后，采用在室溫條件下進(jìn)行的靜電紡絲法，并結(jié)合預(yù)凝固過程，制備出了再生纖維素基電紡納米纖維。為了進(jìn)一步提升材料性能，他們通過與導(dǎo)電材料聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩） - 聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了納米自組裝過程，最終獲得了柔性表皮電極。研究結(jié)果表明，所制備的纖維素電紡納米纖維柔性表皮電極展現(xiàn)出一系列優(yōu)異的特性。其具有排列有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及豐富多樣的孔道結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)賦予了材料良好的透氣性和柔韌性。同時(shí)，材料呈現(xiàn)出纖維素 Ⅱ 晶型結(jié)構(gòu)，這為其提供了穩(wěn)定的物理化學(xué)性能基礎(chǔ)。在性能優(yōu)化方面，當(dāng)PEDOT:PSS體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，電極的拉伸性能和黏附性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)變?yōu)?/span>9.8%，楊氏模量為0.04 MPa，并且對(duì)玻璃和豬皮展現(xiàn)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(xué)性能和黏附性能使得該電極在實(shí)際應(yīng)用中能夠更好地貼合不同基底表面，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(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(nèi)表現(xiàn)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(hào)，從而能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的肌電和心電信號(hào)，為生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)領(lǐng)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(xué)工程等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動(dòng)了柔性材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

5 通過靜電紡絲制備納米纖維吸波材料的進(jìn)展

  隨著現(xiàn)代電子設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛普及應(yīng)用，以及電磁環(huán)境愈發(fā)呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的態(tài)勢(shì)，電磁干擾問題日益凸顯，已然成為制約電子設(shè)備性能提升、影響其穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵因素之一。在此背景下，納米纖維吸波材料憑借其獨(dú)特精妙的結(jié)構(gòu)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(guān)鍵核心材料之一。而靜電紡絲技術(shù)，以其獨(dú)特的制備原理和工藝優(yōu)勢(shì)，為納米纖維吸波材料的高效制備提供了切實(shí)可行的有效途徑，成為該領(lǐng)域研究的重要手段。Zhang等人開展了一項(xiàng)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(shù)與高溫煅燒法相結(jié)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(yīng)，最終成功制備出核殼型碳納米纖維@聚苯胺納米復(fù)合材料。通過對(duì)該納米復(fù)合材料進(jìn)行全面深入的吸波性能測(cè)試，結(jié)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(fù)合材料展現(xiàn)出了最強(qiáng)反射損耗高達(dá)- 44.16 dB的卓越性能。

6 結(jié)語

  靜電紡絲技術(shù)在新型復(fù)合纖維材料的制備領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)超吸水納米纖維材料、不同結(jié)構(gòu)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(shù)在多方面的卓越表現(xiàn)。然而，盡管取得了顯著進(jìn)展，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，在大規(guī)模生產(chǎn)中如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝以確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，以及如何降低生產(chǎn)成本以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用等。未來的研究需要更加深入地探索材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，開發(fā)新的材料體系和工藝方法，加強(qiáng)跨學(xué)科合作，以推動(dòng)靜電紡絲技術(shù)制備的復(fù)合纖維材料在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展注入源源不斷的動(dòng)力，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高性能材料日益增長(zhǎng)且多樣化的需求。

文章來源：  《染整技術(shù)》   http://m.xwlcp.cn/w/kj/31870.html