靜電紡絲技術(shù)制備多功能納米纖維的研究進(jìn)展

楊程博 于涵 林美娜 周澳 石廣森

1. 引言

近年來，科技飛速發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)材料以其獨(dú)特的特性受到了廣泛的應(yīng)用。一維納米結(jié)構(gòu)材料——納米纖維具有大的長(zhǎng)徑比和比表面積，以及獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，成為了納米科學(xué)的前沿和研究熱點(diǎn)。納米纖維常用的制備方法有：拉伸、模相分離、板聚合、自組織和靜電紡絲法等，靜電紡絲法是一種簡(jiǎn)單易行，操作簡(jiǎn)單的制備納米材料的方法，并且是目前唯一能夠直接、連續(xù)制備納米纖維的方法。

靜電紡絲技術(shù)是由Formhals提出的，在其申請(qǐng)的專利中闡述了，利用靜電力生產(chǎn)聚合物納米纖維的裝置，利用高壓靜電將紡絲溶液拉伸成為纖維。采用靜電紡絲法制備的納米纖維具有比表面積高、孔隙率大等優(yōu)點(diǎn)，在過濾膜、光催化、組織工程支架、光電器件等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。早期靜電紡絲技術(shù)主要用于制備單一聚合物納米纖維，隨著對(duì)靜電紡絲技術(shù)各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)的不斷優(yōu)化研究，靜電紡絲法已經(jīng)被廣泛的用于制備多功能納米材料領(lǐng)域。

2. 靜電紡絲技術(shù)制備磁光雙功能納米纖維

陳[1]等人采用靜電紡絲法制備了釔鐵石榴石（YIG）納米纖維。以無水乙醇作為溶劑，PVP作為模板劑，F(xiàn)e（C11H19O2）3和Y（OOC10H19）作為無機(jī)鹽，配制成紡絲溶液，在750℃下焙燒得到尺寸均勻的YIG納米纖維，直徑大約為100 nm。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著焙燒溫度的提高，纖維的直徑變細(xì)，長(zhǎng)度變短，制備的樣品純度提高，沒有雜相出現(xiàn)。蓋[2]等人采用靜電紡絲技術(shù)將稀土配合物發(fā)光物質(zhì)、Fe3O4磁性納米粒子和聚乙烯毗咯烷酮（PVP）復(fù)合，制備出熒光性能和磁學(xué)性能可調(diào)的柔性納米纖維。詳細(xì)研究了制備納米材料形貌、稀土配合物的種類、含量和磁性納米粒子的含量對(duì)磁光雙功能復(fù)合納米纖維性能的影響，討論了磁性物質(zhì)對(duì)發(fā)光物質(zhì)性能的影響。其中，F(xiàn)e3O4/Eu（BA）3phen/PVP復(fù)合納米纖維和Fe3O4/Tb（BA）3phen/PVP復(fù)合納米纖維中，稀土配合物的最佳比例分別為15%和20%。

3. 靜電紡絲技術(shù)制備磁性-光催化納米纖維

劉[3]等人采用靜電紡絲技術(shù)制備了Janus型ZnFe2O4/ZnO異質(zhì)結(jié)中空納米纖維。研究發(fā)現(xiàn)在可見光照射下Janus型ZnFe2O4/ZnO異質(zhì)結(jié)中空納米纖維的光催化性能明顯優(yōu)于ZnFe2O4中空納米纖維和ZnO中空納米纖維。主要是由于ZnFe2O4/ZnO異質(zhì)結(jié)提高了電子-空穴的分離效率。Janus雙面結(jié)構(gòu)促進(jìn)了子和空穴向相反方向的遷移，使電子遷移至ZnO表面，而空穴遷移至ZnFe2O4表面，使得氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別發(fā)生在雙面的兩側(cè)。同時(shí)，一維納米纖維大的長(zhǎng)徑比為電子的快速傳輸提供了通道，進(jìn)一步提高了電子和空穴的分離效率。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Janus型ZnFe2O4/ZnO異質(zhì)結(jié)中空納米纖維的光催化性能也顯著優(yōu)于ZnFe2O4/ZnO異質(zhì)結(jié)復(fù)合納米纖維。張[4]等人對(duì)傳統(tǒng)靜電紡絲法進(jìn)行改進(jìn)，采用雙噴絲頭制備了La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復(fù)合光催化納米纖維材料。將樣品分別在550 ℃、600 ℃、650 ℃，恒溫2 h，得到了純相的La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復(fù)合光催化納米纖維。在紫外-可見光下照射 2.5 h，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率達(dá)到92%。La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復(fù)合光催化納米纖維的磁學(xué)性能與純CoFe2O4納米纖維接近，說明此材料可進(jìn)行磁性回收。王[5]等人采用靜電紡絲法與水熱法及連續(xù)離子吸附法相結(jié)合制備了可磁分離TiO2/Fe3O4/BiOI復(fù)合纖維。首先采用靜電紡絲法制備了TiO2納米纖維，然后將得到的納米纖維置于燒杯中，加入六水三氯化鐵、醋酸鈉和乙二醇（EG）混合、超聲，然后將混合液置于高壓反應(yīng)釜中200 ℃下保溫 4 h，得到TiO2/Fe3O4復(fù)合纖維。最后，將得到的復(fù)合納米纖維與硝酸鉍和碘化鉀溶液混合，反應(yīng)2 min，然后水洗，重復(fù)循環(huán)20、40、60次得到TiO2/Fe3O4/BiOI復(fù)合纖維。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重復(fù)循環(huán)20次所制備的TiO2/Fe3O4/BiOI復(fù)合纖維光催化性能最好，并且可以在外加磁場(chǎng)下進(jìn)行吸附回收。

4. 靜電紡絲法制備光電磁多功能納米纖維

王等人采用共軛靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)裝置成功地組裝了光電磁多功能[Tb（BA）3phen/ PMMA]//[ PANI/Fe3O4/PMMA]光電磁三功能Janus納米纖維陣列[6]。結(jié)果表明，多數(shù)納米纖維具有Janus納米結(jié)構(gòu)。納米纖維的直徑均一，Janus納米結(jié)構(gòu)中單根納米纖維的直徑為700nm-850 nm。通過調(diào)整Janus納米纖維陣列中稀土配合物、導(dǎo)電物質(zhì)和磁性物質(zhì)的組成和含量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光、電、磁特性的可調(diào)性。當(dāng)PANI與PMM的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，樣品的導(dǎo)電方向的電導(dǎo)是絕緣方向電導(dǎo)的107倍。

總結(jié)

通過設(shè)計(jì)和制作不同的靜電紡絲裝置，靜電紡絲技術(shù)可用于制備不同形貌的功能性納米材料，所制備的納米材料在電子信息、生物醫(yī)學(xué)、光催化等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳瑩瑩， 張溪文， 候建梅， 韓高榮. 靜電紡絲法制備釔鐵石榴石單晶納米纖維. 微細(xì)加工技術(shù)， 2008， 1， 35-39.

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[5]王康， 杜慧玲， 崔雯娜， 常夢(mèng)潔， 劉俊. 可磁分離TiO2/Fe3O4/BiOI復(fù)合纖維的制備及光催化性能[J]. 人工晶體學(xué)報(bào)， 2019， 48（02）： 268-273.

[6]王國(guó)義. 共軛電紡技術(shù)構(gòu)筑光電磁多功能一維納米材料與特性研究[D]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)， 2019.

項(xiàng)目名稱： 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱（項(xiàng)目編號(hào)：202010191128）

作者簡(jiǎn)介：楊程博，男，吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院本科生

吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130118