靜電紡絲法制備聚偏氟乙烯(PVDF)及其復(fù)合納米纖維的應(yīng)用與發(fā)展前景

朱丹華，王文利，李志平，余坤明，陳　晶

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021; 2. 現(xiàn)代絲綢國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

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靜電紡絲法制備聚偏氟乙烯(PVDF)及其復(fù)合納米纖維的應(yīng)用與發(fā)展前景

朱丹華1,2，王文利1,2，李志平1,2，余坤明1,2，陳晶1,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021; 2. 現(xiàn)代絲綢國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

聚偏氟乙烯(PVDF)機(jī)械強(qiáng)度高、耐輻射性好且具良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)其尺度達(dá)到納米級(jí)時(shí)，其納米材料具有更多優(yōu)異的性能。靜電紡絲技術(shù)是一種制備納米纖維的簡(jiǎn)單有效的方法，目前已成功制備出多種不同種類的納米纖維，在制備功能性納米纖維方面也取得了顯著成果。本文綜述了近幾年電紡法制備的PVDF及其復(fù)合納米纖維材料在醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、電工電氣及紡織領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀；指出靜電紡PVDF及其復(fù)合納米纖維面臨的問(wèn)題及發(fā)展前景。

靜電紡絲；PVDF；納米纖維；應(yīng)用；前景

0　引　言

靜電紡絲是織造納米纖維的一種新技術(shù)，能夠制備直徑低至十幾納米甚至幾納米的連續(xù)纖維[1-2]。隨著靜電紡絲技術(shù)不斷地完善，諸多學(xué)者對(duì)此技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣使得該技術(shù)得到迅速的發(fā)展。目前通過(guò)靜電紡絲織造的一般是無(wú)紡布和納米纖維束。靜電紡絲法制得的納米纖維具有直徑小、比表面積大、多孔、柔韌等特點(diǎn)[3]。PVDF在常態(tài)下是白色粉狀結(jié)晶性聚合物，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，耐輻射性、耐候性、耐化學(xué)腐蝕性等，還具有較好的壓電性、介電性、熱電性等一些特殊的性能，其全球年產(chǎn)量超過(guò)4.3萬(wàn)噸，是氟塑料中產(chǎn)量名列第二位的產(chǎn)品[4]。PVDF的應(yīng)用主要集中在石油化工、電子電氣和氟碳涂料三大領(lǐng)域。采用靜電紡絲技術(shù)制備的PVDF納米纖維及其復(fù)合納米纖維在醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程及電工電氣等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[5]。

1　靜電紡PVDF納米纖維的應(yīng)用

PVDF是一種多晶型的半結(jié)晶氟塑料，其常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)有α、β及γ等3種晶型，PVDF復(fù)雜的晶型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著材料的不同性能[6-8]。其中α相的PVDF是電學(xué)非活性的，具有較高的穩(wěn)定性及優(yōu)異的力學(xué)性能，常應(yīng)用于光電儲(chǔ)能材料；β相和γ相是極性晶型，有電學(xué)活性；其中β相的PVDF在所有晶型中具有最高的鐵電性、壓電和熱釋電效應(yīng)，被廣泛用作換能器件[9-11]。PVDF的各種晶型在不同條件下形成，在一定條件(熱、電場(chǎng)、機(jī)械及輻射能的作用)下又可以相互轉(zhuǎn)化[10]。目前，通過(guò)電紡制備的PVDF功能性納米纖維表現(xiàn)出了更優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕、耐氧化、耐輻射、鐵電及壓電等性能[4]，開發(fā)了PVDF的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

PVDF具有良好的生物相容性及理化性質(zhì)，其形成的支架結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)相似，有利于細(xì)胞的粘附生長(zhǎng)，且可促進(jìn)細(xì)胞的接觸、滲透、保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得細(xì)胞沿纖維定向生長(zhǎng)。自2002年以來(lái)，PVDF作為新型補(bǔ)片應(yīng)用于疝氣的治療。余穎娜等[12]利用PVDF的靜電纖維薄膜氈與表面等離子改性后的聚丙烯織物復(fù)合，得到一種聚偏氟乙烯/聚丙烯復(fù)合型疝氣補(bǔ)片，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合補(bǔ)片的通水量為11.73 mL/min，能滿足體液的正常傳輸；復(fù)合補(bǔ)片在溫度為50 ℃以下無(wú)明顯收縮，從尺寸穩(wěn)定性角度來(lái)說(shuō)用于人體是安全的。羅新等[13]研究了電紡制備的PVDF補(bǔ)片對(duì)小鼠成纖細(xì)胞(L929細(xì)胞)不具有毒性；當(dāng)將細(xì)胞種植到補(bǔ)片上時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞在補(bǔ)片上粘附、增殖。以上說(shuō)明電紡制備的PVDF具有良好的生物相容性，可用于疝補(bǔ)片修補(bǔ)術(shù)等。

有研究表明電刺激能夠促進(jìn)多種生長(zhǎng)因子的表達(dá)和分泌，影響細(xì)胞的增殖、分化及再生等功能。壓電物質(zhì)可以用于制備具有電刺激效應(yīng)的生物材料。M.Wang等[14]開發(fā)的具有核殼結(jié)構(gòu)的PVDF/PVP復(fù)合納米纖維膜，通過(guò)熱致相分離降低了PVDF的表面張力；對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)72 h后細(xì)胞的成活率為94%，說(shuō)明PVDF/PVP具有良好的生物相容性；該方法制備的超疏水耐纖維膜可用于可傷口愈合和傷口敷料，其疏水性的特性可防止水分從傷口處揮發(fā)，高孔率和較好的拉伸性能可保持透氣性和柔韌性。Guo Hongfeng等[15]研究了電紡制備的PU/PVDF支架的力學(xué)性能和壓電性能。小鼠的成纖維細(xì)胞培養(yǎng)顯示支架上的細(xì)胞呈現(xiàn)正常的形態(tài)，且支架的壓電效應(yīng)有利于成纖維細(xì)胞的遷移、粘附和增殖。這類PU/PVDF支架在傷口愈合方面具有很大的應(yīng)用潛力。

負(fù)載藥物的納米纖維，可有效控制藥物的釋放時(shí)間，將藥效達(dá)到最大。T.He等[16]采用靜電紡絲法制備了負(fù)載恩諾沙星(Enro)的PVDF納米纖維膜，并對(duì)復(fù)合纖維的機(jī)械強(qiáng)度、抗菌性能及藥物釋放功能進(jìn)行了探究。研究發(fā)現(xiàn)：Enro/PVDF復(fù)合纖維膜具有良好的彈性、柔韌性及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度；且藥物在12 h后開始釋放，釋放時(shí)間持續(xù)3 d，在這個(gè)過(guò)程中抗生素能達(dá)到對(duì)傷口愈合的作用；并且對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌性；以人體皮膚成纖細(xì)胞作為模型細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞相容性試驗(yàn)，結(jié)果顯示，該纖維膜與細(xì)胞具有良好的相容性；表明Enro/PVDF復(fù)合纖維膜可以作為傷口敷料使用。

以上研究均表明靜電紡絲制備的PVDF及其復(fù)合納米纖維具有良好的生物相容性，在傷口愈合和傷口敷料中有著巨大的應(yīng)用潛力；但靜電紡絲法制備的納米纖維膜一般比較致密，且孔徑較小，對(duì)細(xì)胞進(jìn)入纖維膜內(nèi)部生長(zhǎng)不利；要使電紡制備的纖維膜用于臨床還有很多問(wèn)題丞待解決，例如如何制備具有大孔徑的納米纖維問(wèn)題；這將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

1.2在環(huán)境工程中應(yīng)用

水資源匱乏，大氣污染嚴(yán)重是人類面臨的重大環(huán)境問(wèn)題，而過(guò)濾和光催化是水污染最為廣泛的解決方法。電紡制備的PVDF膜是常用的過(guò)濾材料，在電紡的PVDF納米纖維膜孔徑小、孔隙率高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)的前提下，通過(guò)表面涂覆、共混等方法對(duì)納米纖維膜進(jìn)行改性，有效提高膜的親水性、截留率和抗污染性等。

1.2.1在過(guò)濾介質(zhì)中的應(yīng)用

淡水資源只占全球水資源中的2.5%，更重要的是人類真正能夠利用的水還不到淡水總量的1%，但海水資源很豐富，因此開發(fā)高產(chǎn)量鹽水淡化技術(shù)具有重要的意義。X.Li等[17]制備了具有突出膜蒸餾性能的SiO2/PVDF復(fù)合納米纖維。SiO2/PVDF復(fù)合納米纖維孔徑為0.18～1.99 μm；該纖維膜的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的 NaCl溶液為測(cè)試液，進(jìn)行直接接觸式膜蒸餾(DCMD)鹽水淡化實(shí)驗(yàn)研究；結(jié)果表明，當(dāng)熱測(cè)進(jìn)水為60 ℃、冷測(cè)循環(huán)水為20 ℃時(shí)，膜通量可達(dá)32.5 kg/(m2·h)；該方法制備的復(fù)合納米纖維膜不僅滿足了高滲透通量的需求，還具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的水汽通量，可作為商業(yè)MD的替代產(chǎn)品。

Boor SinghLalia等[18]電紡法制備的負(fù)載纖維素納米晶(NCC)的PVDF-HFP纖維膜。當(dāng)纖維膜中NCC的負(fù)載量為2%時(shí)，其性能最優(yōu)，纖維孔徑分布較小，平均孔徑在0.2 μm 左右。當(dāng)纖維膜的液體入口壓力從19 Pa增加到27 Pa時(shí)，提高的液體入口壓力使得膜蒸餾過(guò)程的脫鹽能力增強(qiáng)到99.9%。Park等[19]將靜電紡絲制備的PVDF納米纖維覆蓋在商品PVDF超濾膜上，并用超支化的聚乙烯亞胺在其上進(jìn)行交聯(lián)，得到一種新型的離子選擇性膜。通過(guò)鹽離子截留和水通量測(cè)試發(fā)現(xiàn)在pH值為6、壓力為0.7 MPa時(shí)，水通量達(dá)到30 L/(m2·h)，對(duì)MgCl2和NaCl的截留率分別為88%和65%。

PVDF具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，是一種價(jià)格便宜的制模材料，被廣泛應(yīng)用于污水處理中；但因其疏水性強(qiáng)易造成膜污染。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)電紡制備的PVDF及其復(fù)合納米纖維對(duì)污水處理更為有效。F.E.Ahmed等[20]將電紡的PVDF-HFP浸漬到超疏油的纖維素的離子溶液中，制備出了纖維素/PVDF-HFP復(fù)合纖維膜；纖維素增大了PVDF-HFP的孔隙率、孔徑、潤(rùn)濕性及其機(jī)械性能；用于油水分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)汽油、玉米油混合物和馬達(dá)油的分離率大于99%，對(duì)原油的分離率為90%。以上均說(shuō)明纖維素/PVDF-HFP復(fù)合纖維膜對(duì)油水分離具有較高的效率，可廣泛用于油水分離領(lǐng)域。

Z.Jiang等[21]成功制備了磁性納米纖維復(fù)合墊PVDF/ Fe3O4@PS。相對(duì)于純的聚苯乙烯(PS)納米纖維，PS/PVDF機(jī)械性能明顯得到改善，且Fe3O4的加入增加了復(fù)合纖維的磁性能；油吸附試驗(yàn)表明PVDF/ Fe3O4@PS對(duì)日葵油，大豆油，油和柴油均有較好的分離能力，高于傳統(tǒng)的PS纖維膜；該復(fù)合纖維墊具有的高孔隙率、良好的機(jī)械性能、優(yōu)異的磁性能以及疏水性，在處理油水分離領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用。

還有一些學(xué)者研究了電紡制備的納米纖維膜的離子吸附性。M. S.Birajdar等[22]通過(guò)電紡制備了PVDF與改性層狀雙氫氧化物(MLDH)的復(fù)合納米纖維PVDF/MLDH。研究發(fā)現(xiàn)，MLDH的加入增加了PVDF的壓電性和鐵電性；PVDF/MLDH對(duì)Cu2+的吸附能力大于PVDF，12 h后，吸附達(dá)到平衡。M. Y.Bai等[23]電紡制備了EDTA/ PVDF復(fù)合納米纖維氈，用于去除電解質(zhì)中的重金屬離子。SEM圖像(如圖1)顯示：EDTA顆粒鑲嵌在PVDF纖維的表面(平均直徑為(476±145) nm)；且在溫度為25～30 ℃，進(jìn)料壓力為0.19 Pa時(shí)，EDTA/ PVDF復(fù)合納米纖維對(duì)Fe、Cr和Ni 3種重金屬的的吸附率分別為19%，18%和60%。

利用靜電紡絲的PVDF及其復(fù)合纖維膜高孔隙率開發(fā)的鹽水淡化技術(shù)與傳統(tǒng)的方法相比，其膜通量有了大幅度提高，且增大了對(duì)鹽離子的截留率；在污水處理中，有效解決了由于疏水性強(qiáng)而導(dǎo)致的膜污染問(wèn)題，提高了對(duì)油和蛋白質(zhì)的截留率；小孔徑、孔隙率大的特點(diǎn)解決了傳統(tǒng)離子吸附材料對(duì)重金屬離子及其它較小的顆粒難以實(shí)現(xiàn)有效過(guò)濾的問(wèn)題。

圖1(a) 制備的PVDFNM,(b)20wt%的PVDF溶解于DMF,(d)和(d)為20wt%的PVDF溶解于體積比為DMF/Ace=2/1、接收距離13 cm、流速1.0 μL/min、電壓為12～13 kV

Fig 1 SEM images of PVDFNM produced with (a), (b) 20wt% of PVDF dissolved in DMF and (c), (d) 20wt% of PVDF dissolved in DMF/Ace=2/1, v/v, at a working distance of 13 cm between capillary tube and collection substrate, a flow rate of 1.0 μL/min and an applied voltage of 12 to 13 kV

1.2.2在光催化中的應(yīng)用

光催化，是一種充分利用太陽(yáng)能的催化技術(shù)，在水處理領(lǐng)域一直備受關(guān)注。一些研究表明利用電紡制備的PVDF納米纖維作為催化劑的載體有效提高了催化效率。張慧丹等[24]采用靜電紡技術(shù)制備了載有TiO2的PVDF復(fù)合纖維膜，并探究了復(fù)合纖維膜對(duì)飲用水中三氯甲烷的降解性能影響。測(cè)試表明，該復(fù)合纖維膜對(duì)CHCl3具有一定的降解能力，脫氯率達(dá)71.9%。任鳳梅等[25]采用電紡制備了聚偏氟乙烯(PVDF)與苯乙烯-順丁烯二酸酐共聚物(SMA)纖維，并在其表面分別鍍覆了FeOOH和TiO2，得到TiO2@FeOOH異質(zhì)結(jié)/(PVDF/ SMA)纖維復(fù)合材料。在氙燈模擬太陽(yáng)光條件下，復(fù)合材料的光催化效率高于TiO2@FeOOH、Degussa P25 TiO2粉體；以該復(fù)合材料作為催化劑，光照2 h，甲基橙的殘留率僅為2.04%。

S.Ramasundaram等[26]制備了一種TiO2納米纖維集成不銹鋼過(guò)濾器，并探究了其對(duì)藥物的光催化降解。當(dāng)通量為10 L/m2，過(guò)濾器的壓力為0.1～0.2 kPa時(shí)，對(duì)西咪替丁的降解作用時(shí)間可持續(xù)72 h；PVDF主要作為光催化劑的負(fù)載體，與一些非多孔基材相比，PVDF降低了污染物的擴(kuò)散，可在表面負(fù)載大量的光催化劑，充分發(fā)揮催化劑的作用，有效減少了對(duì)人體的危害。

與其它光催化技術(shù)相比，以電紡的PVDF纖維膜作為光催化劑的載體具有比表面積大的特點(diǎn)，其表面能夠負(fù)載大量光催化劑；增大了光催化劑與降解物的接觸表面積，使其負(fù)載光催化劑發(fā)揮最大作用，充分利用太陽(yáng)光；且光催化劑易回收，故具有較高的循環(huán)性。

1.3在電工電氣中的應(yīng)用

PVDF優(yōu)異的抗電化學(xué)氧化能力、較高的介電常數(shù)、較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及良好的離子導(dǎo)電性，使得電紡PVDF在電工電氣領(lǐng)域有著較大應(yīng)用潛力。A.Baji等[27]電紡制備了 PVDF/CNTs復(fù)合纖維。探究發(fā)現(xiàn)，PVDF的β相在靜電紡PVDF時(shí)對(duì)紡絲液成絲起主導(dǎo)作用；且CNTs有利于PVDF鐵電相的形成；CNTs誘導(dǎo)PVDF的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，增加?PVDF/CNTs的拉伸強(qiáng)度和硬度。當(dāng)加入3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) CNTs時(shí)，PVDF的β相增加了5%，強(qiáng)度和硬度分別提高了28%和32%，為開發(fā)高性能的導(dǎo)電纖維提供了思路。

J. W.Park等[28]制備了兩種復(fù)合纖維應(yīng)用于再生溴/氫燃料電池：一種是全氟磺酸鑲嵌到PVDF纖維矩陣中(N(fibers)/PVDF)，另一種是PVDF鑲嵌到全氟磺酸纖維矩陣中(N/PVDF(fibers))。當(dāng)全氟磺酸的體積分?jǐn)?shù)小于55%時(shí)，N(fibers)/PVDF在水中的導(dǎo)電率小于N/PVDF(fibers)；PVDF的加入限制了薄膜的膨脹及Br2-/Br3-的滲透；N(fibers)/PVDF對(duì)Br2-/Br3-滲透的阻礙作用高于N/PVDF(fibers)，N(fibers)/PVDF的電導(dǎo)率更好。當(dāng)全氟磺酸的體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，N(fibers)/PVDF對(duì)Br2-/Br3-的滲透低且具有良好的導(dǎo)電性。當(dāng)纖維膜的厚度為48 μm時(shí)，其電解質(zhì)的電阻系數(shù)與薄膜115(0.13 Ω/cm2)相等，但Br2-/Br3-的滲透量是它的3倍。

Yan Zhang等[29]以鎳為殼結(jié)構(gòu)，以PVDF為芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)同軸靜電紡絲法制備了鎳/聚偏氟乙烯復(fù)合納米纖維膜，然后將納米二氧化錳顆粒通過(guò)水熱處理負(fù)載到纖維膜上，作為鋰離子電池的負(fù)極材料。研究發(fā)現(xiàn)，MnO2/Ni/PVDF纖維為三維結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，具有高的充放電性能；以MnO2/ Ni/PVDF復(fù)合纖維作為工作電極，其電壓以50 mA/g的電流密度在0.01和3 V之間循環(huán)，第一次充放電的電容量分別為1 953.8和1 532.4 mA/g，庫(kù)倫效率達(dá)到79%。當(dāng)電容量為1 031.2 mA/g時(shí)可循環(huán)70次，具有優(yōu)異的循環(huán)性能。以上均表明MnO2/Ni/PVDF復(fù)合纖維膜具有非常高的充放電性能，且循環(huán)壽命長(zhǎng)、電荷轉(zhuǎn)移速度快；該復(fù)合纖維膜將在鋰離子電池領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

圖2　復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig 2 Schematic representation of the composite fibers

β晶相的PVDF是一種高分子壓電材料，晶區(qū)內(nèi)偶極子的取向排列導(dǎo)致其產(chǎn)生壓電效應(yīng)。M.S.Bafqi等[30]制備了PVDF/ZnO復(fù)合納米纖維。當(dāng)加入15%的ZnO顆粒時(shí)，PVDF的β相結(jié)晶度達(dá)到87%；PVDF/ZnO復(fù)合納米纖維的壓電性能由0.35 V提高到1.1 V，其電響應(yīng)是PVDF的250倍；此方法制備的納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、高效、高性價(jià)比和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。

Z.H. Liu等[31]電紡制備了摻雜多壁碳納米管的PVDF納米纖維，該壓電復(fù)合材料在近場(chǎng)靜電的作用下形成具有中空結(jié)構(gòu)的HCNFES。MWCNTs的加入提高了復(fù)合纖維中 β 相的結(jié)晶度。該方法制備的三維壓電材料可作為可穿戴傳感器使用。M.Kato等[32]將電紡制備的PVA/NKN和PVDF/NKN復(fù)合材料經(jīng)過(guò)熱壓工藝制備了具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)能量采集器PVEH。交變多層的結(jié)構(gòu)使其能量收集器具有較高的耐用性，PVDF增加了其拉伸性能、柔韌性，且耐反復(fù)彎曲；NKN的加入提高了PVDF的β相位的結(jié)晶度，增大了PVDF的壓電性能和拉伸性能。這種新型的PVEH每145 nW/cm2的最大輸出功率為170 Hz。

以上的研究均表明電紡制備的PVDF納米纖維膜優(yōu)異的鐵電性和壓電性大大拓展了其在電工電氣領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前制備具有更高耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、孔隙率及與電解質(zhì)溶液具有更好親和力的PVDF復(fù)合材料是其面臨的一大挑戰(zhàn)。

1.4在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

防水透濕織物是集防水、透濕、防風(fēng)、保暖于一體的功能性面料。利用防水透濕薄膜層壓得到的復(fù)合織物是防水透濕織物中最具代表意義的。電紡制備的PVDF納米纖維膜因其優(yōu)異的性能得到了關(guān)注。Lalia等[33]將強(qiáng)酸酸化纖維素類纖維提純獲得的納米纖維素晶體與PVDF混紡，發(fā)現(xiàn)纖維膜的力學(xué)性能有所改善，而膜的力學(xué)性能對(duì)其耐靜水壓有一定的影響。劉延波等[34]電紡制備了PVDF/PVDF-HFP復(fù)合納米纖維膜，熱壓處理后的復(fù)合納米纖維膜具有優(yōu)異的防水透濕性，且當(dāng)PVDF與 PVDF-HFP 的質(zhì)量比為 2∶1 時(shí)，其耐靜水壓為7 220 mm H2O，透濕量為7 300 g/(m2·24 h)。

圖3　(a) TENG基鞋墊; (b) (1)和(2)是縫合PVDF納米纖維與導(dǎo)電織物, (3)和(4)確保鞋墊的柔軟性、耐磨性和耐用性

T.Huang等[35]將電紡制備的PVDF夾在一對(duì)導(dǎo)電織物電極的中間組成一種高性能，以耐磨全光纖摩擦納米發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的鞋墊，這種鞋墊在人類行走過(guò)程中收集能量。鞋墊的最大輸出電壓、瞬時(shí)功率和輸出電流分別達(dá)到21 V，2.1 mW和45 μA。制備的TENG基鞋墊可作為發(fā)光二極管L214的電源，具有良好的耐久性和高效的能量轉(zhuǎn)化效率，且可滿足用戶舒適度的要求。制備的TENG基鞋墊如圖3所示。

電紡制備的PVDF纖維具有納米結(jié)構(gòu)、質(zhì)輕且增大了耐靜水壓，在保持其防水性的同時(shí)提高了透氣性。相對(duì)于一般的導(dǎo)電織物，電紡的PVDF具有高孔隙率和耐磨性的特點(diǎn)，使制得的織物透氣性好、質(zhì)輕、耐用；其優(yōu)異的鐵電性和壓電性，在制備高性能導(dǎo)電織物等方面也將發(fā)揮巨大作用。

2　存在的問(wèn)題及發(fā)展前景

靜電紡制備的PVDF及其復(fù)合納米纖維最主要的特點(diǎn)就是纖維的直徑較細(xì)，形成的非織造布是一種具有納米級(jí)微孔的多孔材料，所以其孔隙率較高、比表面積較大，有許多潛在用途。但在技術(shù)推廣上還存在問(wèn)題：一是產(chǎn)量低，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)較為困難；二是制備的納米纖維拉伸強(qiáng)度較低，無(wú)法承受較大的沖擊性。且至今為止，科研人員對(duì)電紡PVDF的纖維特性和應(yīng)用的研究還不夠透徹；如何實(shí)現(xiàn)電紡PVDF功能性納米纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、優(yōu)化PVDF的特性、開發(fā)多功能的復(fù)合纖維和擴(kuò)大其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用是目前一大研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

隨著靜電紡絲技術(shù)及理論的不斷完善，大規(guī)模低成本生產(chǎn)一些納米纖維材料已成為可能，市場(chǎng)發(fā)展前景十分看好。相對(duì)于其它材料而言，靜電紡PVDF優(yōu)良的電化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度使其在環(huán)境領(lǐng)域、生物醫(yī)用和電工電氣領(lǐng)域有著更廣泛地應(yīng)用；其開發(fā)的多功能復(fù)合納米纖維材料也將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用。

致謝：感謝數(shù)值加皮大學(xué)國(guó)家自然基金預(yù)研項(xiàng)目；感謝2015年度江蘇省普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃對(duì)本項(xiàng)目的大力支持！

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The application and development foreground of polyvinylidene fluoride (PVDF) and its composite nanofibers by electrospinning

ZHU Danhua1,2, WANG Wenli1,2, LI Zhiping1,2, YU Kunming1,2, CHEN Jing1,2

(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China;2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

Polyvinylidene fluoride has been widely used in many areas because of its high mechanical strength, radiation resistance and nice chemical stability. PVDF nanofibers will have more excellent performance when the scale of PVDF is nanometer. Electrospinning is a simple and effective method to weave nanofibers. At present, electrospinning has successfully weaved kinds of nanofibers and composite nanofibers. This paper summarized the application situation of PVDF and its composite nanofibers by electrospinning when they were used in medicine, environmental engineering, electrical and textile fields. Pointing out the problems of nanofibers during use and their development foreground were discussed.

electrospinning; PVDF; nanofibers; application; foreground

1001-9731(2016)08-08058-06

江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程二期項(xiàng)目(蘇學(xué)科辦〔2014〕9 號(hào))

2015-11-24

2016-03-10 通訊作者：王文利，E-mail: wlwang@suda.edu.cn

朱丹華(1990-)，女，河南商丘人，蘇州大學(xué)在讀碩士，主要從事靜電紡絲方面研究。

TQ34

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.009