多功能納米纖維微流體紡絲技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

崔婷婷， 劉吉東， 解安全， 程恒洋， 杜湘云， 胡霞紅， 陳 蘇

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210009； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210009)

近幾年微納米纖維或纖維微反應(yīng)器由于其在組織工程[1]、傳感[2]、過(guò)濾[3]、吸附[4]、防護(hù)材料[5]以及可穿戴設(shè)備[6]等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到廣泛關(guān)注。目前，制備超細(xì)微納米纖維的方法主要有靜電紡絲[7]、熔融紡絲[8]、離心紡絲[9]、氣噴紡絲[10]、納米刻蝕技術(shù)[11]和微流體紡絲[12]，其中，靜電紡絲是制造各種聚合物超細(xì)微納米纖維最通用的方法。其原理是通過(guò)高壓靜電場(chǎng)將聚合物溶液或熔體拉伸成細(xì)流，從而得到納米級(jí)纖維[13]。雖然這些傳統(tǒng)的紡絲方法都可以制備超細(xì)微納米纖維，但這些方法都很難實(shí)現(xiàn)有序微纖維的制備。作為一種新型的制備有序微纖維的方法，微流體紡絲技術(shù)近幾年受到研究者的廣泛關(guān)注，它是在傳統(tǒng)濕法紡絲快速成形的基礎(chǔ)上，結(jié)合微流體技術(shù)的層流效應(yīng)，制備出微米級(jí)纖維的技術(shù)，具有無(wú)高壓電流、節(jié)能、安全且操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[14]。本文系統(tǒng)綜述了微流體紡絲技術(shù)的基礎(chǔ)研究及其有序纖維在編碼、傳感、生物和超級(jí)電容器等方面應(yīng)用研究進(jìn)展。并對(duì)微流體紡絲技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了展望,以期為微流體紡絲技術(shù)的進(jìn)一步研究提供理論和實(shí)踐參考。

1 微流體紡絲機(jī)制及技術(shù)

微流體紡絲技術(shù)在傳統(tǒng)濕法紡絲的基礎(chǔ)上，結(jié)合微流體的層流效應(yīng)[14]，使具有一定黏度的聚合物溶液在重力和自身黏性剪切力的共同作用下，通過(guò)控制微流體芯片微通道內(nèi)高黏度聚合物溶液的流速和接收裝置的轉(zhuǎn)速，借助轉(zhuǎn)軸所帶動(dòng)的牽引力將微通道內(nèi)流出的紡絲液拉伸成絲。拉伸過(guò)程中溶液細(xì)流變得越來(lái)越細(xì)，可達(dá)到微納米尺度，并隨著溶劑的揮發(fā)，制備出尺寸和形貌可控的微纖維，其原理如圖1[15]所示。

圖1 微流體紡絲過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of microfluidic spinning process

Chen等[16-17]利用自主研發(fā)的高性能微流體紡絲機(jī)在微流體紡絲技術(shù)和工藝方面做了大量的研究。根據(jù)微流體紡絲技術(shù)制備微纖維定向可控的特點(diǎn)，制備出一維有序熒光微纖維。又將瑞利不穩(wěn)定性原則應(yīng)用在微流體紡絲技術(shù)中，成功制備出一維竹節(jié)雜化纖維和一維竹節(jié)雜化熒光纖維。微流體紡絲技術(shù)制備微纖維的直徑和表面形貌可通過(guò)聚合物的分子量、聚合物溶液的濃度和黏度、溶劑的揮發(fā)速率以及外部溫濕度進(jìn)行精確調(diào)控，纖維直徑范圍從幾百納米到幾十微米。圖2示出微流體紡絲設(shè)備照片。整個(gè)微流體紡絲機(jī)的核心構(gòu)件包括3個(gè)主要部分：一是注射器，其用作前驅(qū)體的儲(chǔ)存器并裝載在注射泵上；二是移動(dòng)平臺(tái)，其帶動(dòng)紡絲針頭左右移動(dòng)進(jìn)行多次循環(huán)，使纖維進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)，通過(guò)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)纖維形貌的制備；三是收集器，其通常是旋轉(zhuǎn)基板，提供牽引力將針頭處的紡絲液滴拉扯成纖維。Chen等[18]制備出圖案化、珠節(jié)狀、異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微纖維，大幅拓寬了微纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。紡絲過(guò)程中可通過(guò)注射泵控制原料供給調(diào)節(jié)微流泵出液速率。對(duì)于收集器，可使用二維板、圓柱形輥或其他任何形狀的物體為拉伸紡絲器提供支撐，如圖3所示。

圖2 微流體紡絲設(shè)備Fig.2 Microfluidic spinning device

圖3 紡絲收集裝置Fig.3 Spinning collection device. (a) Roller type receiving device；(b) Plate receiving device； (c) Frame receiving device

微流體紡絲技術(shù)與熔融紡絲技術(shù)相比：生產(chǎn)纖維能耗更低，不需要額外的高熱能，而熔融紡絲需要足夠的熱能將聚合物變?yōu)槿廴趹B(tài)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)消耗很多能量，且紡絲過(guò)程中工藝比較復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[19]；其次，熔融紡絲對(duì)聚合物物理性質(zhì)有嚴(yán)格的要求，熔點(diǎn)需要很低，加熱軟化時(shí)不會(huì)發(fā)生降解，這就大大限制了聚合物的種類(lèi)[20]。與靜電紡絲技術(shù)相比：靜電紡絲技術(shù)制備的纖維結(jié)構(gòu)單一，纖維具有無(wú)序性且紡絲過(guò)程需要很高的電壓，能耗高且安全性低，因?yàn)槔w維的形貌結(jié)構(gòu)單一且有序性差，這就使得纖維的應(yīng)用受到限制[21-23]；微流體紡絲技術(shù)可利用微流體的擴(kuò)散和層流效應(yīng)來(lái)控制紡絲液的組成，從而制備出結(jié)構(gòu)可調(diào)有序排列的微纖維陣列。文獻(xiàn)[18]介紹了一種基于微流控紡絲技術(shù)的新型微纖維反應(yīng)器，用于原位制備納米晶體負(fù)載的各向異性熒光雜化微纖維，如圖4所示。通過(guò)設(shè)計(jì)微流控芯片通道和調(diào)節(jié)聚合物溶液黏度，制備出常規(guī)的、竹節(jié)狀和Janus等各種納米晶體負(fù)載的各向異性雜化微纖維。所得到的各向異性熒光雜化微纖維呈現(xiàn)多個(gè)光學(xué)信號(hào)，在光學(xué)傳感方面有巨大應(yīng)用前景。

注：其中A為某種離子；B、B1、B2為負(fù)載有納米晶體的海藻酸鹽；C、C1、C2為海藻酸鈉/納米晶體。圖4 負(fù)載納米晶體的海藻酸鹽熒光雜化微納纖維同軸微流體紡絲裝置示意圖Fig.4 Schematic illustrations of coaxial microfluidic spinning devices used for continuously generating nano-crystal loaded alginate fluorescent hybrid microfibers. (a) Single nanocrystalline reaction in a semi-T microdevice containing two microchannels (A+B→C); (b) Double nanocrystalline reactions in Y-shaped microdevices containing three microchannels (A+B1→C1, A+B2→C2)

隨著微流體紡絲技術(shù)的不斷發(fā)展，其紡絲機(jī)制和紡絲技術(shù)以及紡絲設(shè)備的研究也逐漸完善。目前用來(lái)制備有序纖維陣列的方法主要有附加磁場(chǎng)法[24]、輔助電場(chǎng)法[25]、平行電極板收集法[26]、高速轉(zhuǎn)盤(pán)接收法[27]、模板法[28]等。其中高壓靜電紡絲技術(shù)可高效制備出連續(xù)一維納米纖維材料，該技術(shù)是目前制備直徑在幾納米連續(xù)纖維的最有效方法，可應(yīng)用于合成高聚物、天然高聚物、聚合物合金。同時(shí)在聚合物中可負(fù)載發(fā)色基團(tuán)、納米粒子、活性試劑等，但由于紡絲過(guò)程中射流不穩(wěn)定，再加上收集裝置采用平板接收器，使得收集到的纖維是雜亂無(wú)序的，從而使纖維膜的力學(xué)、光學(xué)等性能達(dá)不到要求。文獻(xiàn)[29]報(bào)道了以金屬滾筒作為收集裝置，批量化制備大面積有序纖維的技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)在于可大量收集高度取向性的纖維陣列，但這種接收方式不能消除纖維上的殘留電荷，使得纖維的有序性隨著纖維厚度和紡絲時(shí)間的增加而降低，且旋轉(zhuǎn)速度太快還會(huì)導(dǎo)致纖維斷裂。

微流體紡絲技術(shù)具有靈活可控、高比面積和高效的傳質(zhì)傳熱特性，在賦予纖維高性能化和纖維產(chǎn)業(yè)化方面有很大的優(yōu)勢(shì)。Chen等[30]利用微流控紡絲技術(shù)大面積制備以纖維為導(dǎo)向的石墨烯纖維超級(jí)電容器，通過(guò)介質(zhì)在微反應(yīng)系統(tǒng)中液-液界面自組裝及分子功能化摻雜成孔作為研究手段，構(gòu)筑具有大能量密度輸出、規(guī)?；幙椇腿嵝钥纱┐鲬?yīng)用前景的氮摻雜多孔石墨烯纖維超級(jí)電容器。該微型超級(jí)電容器表現(xiàn)出超高的比電容(1 132 mF/cm2)和能量密度(95.7 μWh/cm2)，成功實(shí)現(xiàn)了為L(zhǎng)EDs、音響、背光源、單色和彩色顯示器等視聽(tīng)電子器件的供能應(yīng)用。這種方法大大促進(jìn)了纖維電容器在可穿戴電子領(lǐng)域的發(fā)展，有望取代微電池并廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)領(lǐng)域。

微流體具有通量高、比表面積大和反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，所以微流體紡絲技術(shù)在制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)微納米纖維上有很大的應(yīng)用。雷鳴等[31]利用微流體紡絲技術(shù)制備了絲素納米銀/聚乙烯醇共混纖維，通過(guò)調(diào)整絲素納米銀和聚乙烯醇(PVA)共混溶液的質(zhì)量比以及紡絲過(guò)程中的外部參數(shù)，制備出直徑在 13～14 μm、整齊均一且連續(xù)性很好的纖維。納米銀的直徑在 30～50 nm，且分散均勻。微流體芯片能夠在微通道中控制和檢測(cè)復(fù)雜流體，具有尺寸小、效率高、集成度高、響應(yīng)時(shí)間短、樣品需求量少等優(yōu)點(diǎn)，所以微流體芯片在微流體紡絲纖維成形方面也有很大的應(yīng)用潛力。黃燕等[32]發(fā)現(xiàn)自然界中的蜘蛛和蠶可通過(guò)自身體內(nèi)細(xì)長(zhǎng)的腺體動(dòng)態(tài)調(diào)控流動(dòng)態(tài)紡絲液的組成、剪切和拉伸條件，并紡制出力學(xué)性能優(yōu)異的天然動(dòng)物絲。他們利用同步輻射X射線(xiàn)衍射技術(shù)研究了蠶的腺體內(nèi)絲素蛋白的結(jié)構(gòu)，然后模仿蜘蛛和蠶腺體內(nèi)紡絲器的功能和形狀，設(shè)計(jì)制備出相同構(gòu)造的微流控芯片，利用微流體的層流及擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)了再生絲素蛋白溶液pH值的動(dòng)態(tài)調(diào)控，通過(guò)微芯片內(nèi)微通道的形狀實(shí)現(xiàn)了再生絲素蛋白溶液的剪切和拉伸，為微流體紡絲奠定了基礎(chǔ)，制備出力學(xué)性能優(yōu)異的纖維。Lee等[33-34]應(yīng)用了一個(gè)由數(shù)字和可控制組成的微流體系統(tǒng)，模擬了蜘蛛絲紡制過(guò)程，制造了具有高度有序結(jié)構(gòu)的海藻酸纖維。Gu等[35]采用微流體紡絲法制備出具有形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征可調(diào)的海藻酸微纖維。文獻(xiàn)[36]報(bào)道了一種借助微流體紡絲方法制備出具有非凡力學(xué)性能的膠原纖維。Wang等[37]使用一種簡(jiǎn)單的氣-液微流體方法來(lái)制備空腔-纖維，用于大規(guī)模的水收集。

2 微流體紡絲纖維形貌與結(jié)構(gòu)調(diào)控

微流體紡絲技術(shù)與靜電紡絲、氣噴紡絲相比最顯著的特點(diǎn)是其纖維的有序性，對(duì)比結(jié)果[38-40]如圖5所示。一方面，微流體紡絲技術(shù)所制備的纖維結(jié)構(gòu)、直徑均可通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物溶液的分子量、濃度、黏度、微流體紡絲機(jī)前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行控制。同時(shí)，所制備的纖維直徑大小與靜電紡絲、氣噴紡絲、熔融紡絲纖維相比其分布范圍更廣，小至納米，大至幾百微米。另一方面，微流控系統(tǒng)是生產(chǎn)各向異性纖維的理想微反應(yīng)器平臺(tái)，具有操作簡(jiǎn)便、效率高、可控性強(qiáng)和環(huán)境友好等特點(diǎn)。其纖維形貌可通過(guò)控制多相微通道之間的流速，調(diào)節(jié)兩相之間的表面張力和剪切力作用進(jìn)行變化。

圖5 不同紡絲方法的PVP納米纖維對(duì)比圖Fig.5 Comparison of microfluidic spinning (a) with electrospinning (b) and air-jet spinning(c)

陳蘇等[18]設(shè)計(jì)了一種基于微流體紡絲技術(shù)的新型微纖維反應(yīng)器，用于原位制備納米晶體負(fù)載的各向異性熒光混合微纖維。采用海藻酸鹽和CaCl2體系，在具有不同幾何特征的共流聚焦結(jié)構(gòu)微流控反應(yīng)器中進(jìn)行多個(gè)納米晶體反應(yīng)，并獲得具有竹節(jié)和Janus拓?fù)鋱D的各種納米晶體負(fù)載微纖維。此外，所得各向異性熒光混合微纖維呈現(xiàn)多種光學(xué)信號(hào)。該策略為各向異性熒光混合微纖維制備提供了一種簡(jiǎn)便且環(huán)保的途徑，并可為研發(fā)多重光學(xué)傳感材料開(kāi)辟一條有前途的途徑。為進(jìn)一步研究纖維形貌，陳蘇等[17]基于瑞利不穩(wěn)定原則，以碳量子點(diǎn)、膠體微球的水溶液為滾動(dòng)相，以有機(jī)聚合物纖維為固定相載體，通過(guò)兩相間的物理滲透以及自組裝作用，制備具有熒光及光子晶體結(jié)構(gòu)的竹節(jié)狀雜化微纖維。通過(guò)使大液滴沿微纖維滑動(dòng)，然后連續(xù)分解成有序液滴，形成具有交替竹節(jié)的微纖維。例如，當(dāng)含有硫離子的大液滴滑到含有Cd2+的聚乙烯咖咯烷酮(PVP) 微纖維時(shí)，會(huì)沿著微纖維原位形成具有高熒光的碳量子點(diǎn)(CDs)微珠?；蛘弋?dāng)含有單分散聚苯乙烯(PS)膠體微?；駽Ds的大液滴滑動(dòng)到聚乳酸(PLA)微纖維時(shí)，可立即將PS或熒光CQD微珠獲得到微纖維上。

梁瓊麟等[41]在纖維形貌調(diào)控方面也做了大量研究，他們首次設(shè)計(jì)出了一種具有可變節(jié)點(diǎn)和可灌注通道的竹節(jié)纖維，通過(guò)改變流體流速調(diào)節(jié)竹節(jié)間距和纖維直徑。此外，使用不同的針頭，可在竹節(jié)纖維內(nèi)部制造通道，灌注Janus纖維和螺旋纖維。微纖維是通過(guò)具有細(xì)胞相容性的完全無(wú)油工藝生產(chǎn)的，可在這些微纖維中直接進(jìn)行細(xì)胞包封和培養(yǎng)。此外，其獨(dú)特的竹節(jié)狀可產(chǎn)生擴(kuò)散梯度，模擬肝腺泡中的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。

趙遠(yuǎn)錦等[42]用一種共流聚焦微流體系統(tǒng)，可制備生成Janus、三相、核-殼結(jié)構(gòu)的螺旋微纖維，甚至雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)內(nèi)部海藻酸鈉液體流注入CaCl2溶液時(shí)首先發(fā)生旋轉(zhuǎn)，CaCl2溶液在注射毛細(xì)管的孔口處形成半凝膠化微纖維。然后，基于微纖維與其周?chē)黧w之間的不平衡流體摩擦，微纖維被螺旋化和固化。這些過(guò)程可通過(guò)調(diào)節(jié)流速來(lái)精確控制，因此，螺旋微纖維的長(zhǎng)度、直徑和螺距是高度可控的。另外，快速凝膠化可使所得的螺旋微纖維保持與注射流相同的橫截面結(jié)構(gòu)，因此，可產(chǎn)生Janus、三相、核-殼，甚至雙螺旋結(jié)構(gòu)。他們還探討了這些螺旋微纖維在磁力和熱力學(xué)觸發(fā)的微彈簧上的潛在用途，以及心肌細(xì)胞收縮力的指示。這些表明微流體螺旋微纖維對(duì)于不同的應(yīng)用是高度通用的。此外，還設(shè)計(jì)了一種新型流動(dòng)光刻集成微流體紡絲系統(tǒng)，用于連續(xù)制備螺旋微電動(dòng)機(jī)[43]。通過(guò)調(diào)節(jié)流速和紫外光照頻率可精確調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)螺旋微電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度、直徑和螺距高度可控。該系統(tǒng)由于快速凝膠化和聚合，也可生產(chǎn)橫截面為Janus、三相、核-殼結(jié)構(gòu)的螺旋纖維。在螺旋微電動(dòng)機(jī)中封裝納米粒子，可使其通過(guò)磁力或化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)。

3 微流體纖維的應(yīng)用

微納米纖維因其直徑小、比表面積大、孔隙率高及表面活性高等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、過(guò)濾及防護(hù)材料、傳感器件、催化材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。微納米纖維的一些應(yīng)用往往需要很好的力學(xué)性能和光學(xué)性能，例如：制備光電器件方面需要具有良好取向且高度有序性；纖維復(fù)合增強(qiáng)材料所用纖維

則需高度有序性提高其力學(xué)性能；在組織工程領(lǐng)域需要各式各樣的有序纖維排布結(jié)構(gòu)；藥物輸送、超級(jí)電容器等領(lǐng)域均需要高度定向有序的纖維來(lái)做良好的鋪墊。為此，已有很多研究者在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)做出重大突破。

3.1 可穿戴纖維能源器件

纖維狀的微電容器由于其高度的靈活性和可使用性而引起了人們對(duì)可穿戴電子產(chǎn)品的巨大興趣，然而，由于不均勻性和較少的氣孔，通常呈現(xiàn)出低能量密度。Wu等[44]采用微流體紡絲技術(shù)為纖維生產(chǎn)創(chuàng)造了均勻的環(huán)境，氮摻雜的石墨烯纖維呈現(xiàn)均勻的多孔網(wǎng)絡(luò)、大的比表面積、高電導(dǎo)率和最佳的氮活性位點(diǎn)，其所制備的超級(jí)電容器如圖6所示。正是由于這些突出的性能，微電容器顯示出更高的電化學(xué)性能，包括超大比電容、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高能量密度，甚至顯示出比最佳報(bào)道的基于碳材料的微電容器高幾倍。將微電容器集成到柔性織物基板上，可為音頻視覺(jué)電子提供動(dòng)力，促進(jìn)可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 微流體紡絲機(jī)制備氮摻雜石墨烯纖維并應(yīng)用于超級(jí)電容器示意圖Fig.6 Preparation of nitrogen-doped graphene fiber by microfluidic spinning machine and application to supercapacitor

圖7 氮摻雜石墨烯纖維超級(jí)電容器應(yīng)用于柔性可穿戴供能器件示意圖Fig.7 Schematic diagram of nitrogen-doped graphene fiber supercapacitor applied to flexible wearable energizing device

Li等[45]從設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)材料入手，利用微流體紡絲機(jī)制備纖維技術(shù)，以納米碳量子點(diǎn)等材料摻雜和限域微通道內(nèi)自組裝成孔為手段，構(gòu)筑了高力學(xué)強(qiáng)度、高能量密度輸出、具有柔性可穿戴應(yīng)用前景的碳量子點(diǎn)/石墨烯(CDs/Graphene)纖維超級(jí)電容器。

3.2 微反應(yīng)器

Xu等[15]基于微流體紡絲法構(gòu)筑微反應(yīng)器制備熒光聚合物雜化纖維材料。首先以微流體紡絲技術(shù)成功編織出微陣列和網(wǎng)格，其中一維聚合物纖維為反應(yīng)器基底，承載零維液滴、一維固態(tài)纖維、二維薄膜進(jìn)行界面接觸，通過(guò)其陣列交匯處提供離子擴(kuò)散的通道，制成1-D-0-D, 1-D-1-D和 1-D-2-D多維度微反應(yīng)器以便驅(qū)使無(wú)極納米粒子形成。該類(lèi)微反應(yīng)器可在室溫條件下成功制備出高質(zhì)量的量子點(diǎn)及其陣列。其創(chuàng)新點(diǎn)在于采用微流體紡絲技術(shù)可方便制備出多維度反應(yīng)器，為固-固、固-液界面反應(yīng)提供了一個(gè)很好的微反應(yīng)器平臺(tái)。

3.3 生物醫(yī)學(xué)材料

利用生物相容性和生物可降解材料構(gòu)筑微納纖維，借助這些微納米纖維可模擬體內(nèi)生物生存環(huán)境，因此，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和組織工程等方面均具有廣泛的應(yīng)用。Cheng等[46]將細(xì)胞分散于藻酸鹽溶液，通過(guò)細(xì)胞負(fù)載的藻酸鹽凝膠化，設(shè)計(jì)出具有可調(diào)節(jié)的形態(tài)和多結(jié)構(gòu)微纖維，如圖8所示。

圖8 形態(tài)和結(jié)構(gòu)可控微納米纖維Fig.8 Micro-nano fibers with controllable morphology and structure. (a)Bionic blood vessels; (b) Bionic blood vessels with different numbers of cell tubes in different viewpoints; (c) Grid structure interweaves multicomponent microfibers by cross; (d) Layer-by- layer structure by stacking hollow microfibers

微纖維的性能在細(xì)胞培養(yǎng)中可通過(guò)摻入生物活性聚合物而得到改善，如：細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)或甲基丙烯酸化明膠(GelMA)藻酸鹽。這些微纖維可作為仿生血管支架應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

4 結(jié)束語(yǔ)

微流體紡絲技術(shù)作為一種可制備新型而高效的納米纖維微陣列的紡絲技術(shù)，在近幾年來(lái)取得了快速發(fā)展。而纖維微陣列是有序微結(jié)構(gòu)材料中的一個(gè)重要分支，是最具活力與發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?。有機(jī)一維納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的可塑性好、比表面積大、光學(xué)等化學(xué)與物理性質(zhì)，在納-微尺度上長(zhǎng)程有序，有望在圖案化、顯示器、防偽標(biāo)識(shí)、分離、傳感、光催化、化學(xué)分析、化學(xué)傳感、能源化工、電化學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

基于聚合物溶液濃度、移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度和纖維直徑大小的基本關(guān)系方面，國(guó)內(nèi)外科研工作者做了許多探索研究性工作，不斷投身于對(duì)紡絲設(shè)備以及紡絲工藝的完善和產(chǎn)品的應(yīng)用性研究。目前，世界各國(guó)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位普遍使用的紡絲裝置主要有靜電紡絲、熔融紡絲、模板拉絲裝置等，而用于定向紡絲的方法主要是依靠接收器磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制。雖然，微流體紡絲發(fā)展前景有一個(gè)較大的飛躍，但相對(duì)于上述這些紡絲技術(shù)來(lái)說(shuō)還存在許多缺陷與不足，尤其是在理論研究和材料創(chuàng)新方面仍是一個(gè)極大挑戰(zhàn)。然而從另一方面來(lái)講，微流體紡絲技術(shù)通過(guò)微流體的推動(dòng)力和接收器的拉力，可避免危險(xiǎn)的高壓技術(shù)或熔融紡絲所需的高溫條件，且可實(shí)現(xiàn)常溫常壓下紡制均一定向的微纖維，以及實(shí)現(xiàn)近乎絕緣的聚合物熔體或溶液的紡絲，擺脫以往對(duì)絕緣原料的限制，并且能有效控制單纖維的接收位置和范圍，因此，微流體紡絲器件能夠促進(jìn)定向紡絲的要求，并且重復(fù)性好，工藝簡(jiǎn)單，操作方便。在纖維形貌方面，微流體技術(shù)所紡纖維與靜電紡絲技術(shù)所紡纖維具有明顯的差異(如有序纖維陣列、Janus纖維、竹節(jié)纖維)，借助微流體纖維結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)，在微反應(yīng)器、超級(jí)電容器以及生物醫(yī)學(xué)材料方面具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。微流體紡絲技術(shù)憑借其結(jié)構(gòu)形貌的多樣化，相信在未來(lái)可運(yùn)用在光學(xué)器件、可穿戴設(shè)備以及能源方面，必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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