靜電紡絲功能性納米纖維的研究進(jìn)展

閆曉靜，劉 彤，陳 超

（1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院 江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215021）

1 靜電紡絲的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 開發(fā)現(xiàn)狀

靜電紡絲裝置主要由3個(gè)部分組成：高壓靜電裝置、噴絲器、接收裝置[1]，如圖1所示。

圖1 靜電紡絲裝置

近年來，國內(nèi)許多單位對(duì)靜電紡絲技術(shù)的各個(gè)方面已經(jīng)展開了研究，例如，進(jìn)場靜電紡絲的概念是由廈門大學(xué)的孫道恒等[2]首次提出；北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授等[3]研發(fā)了熔體微分靜電紡絲技術(shù)和多噴頭并聯(lián)技術(shù)，解決了高黏度聚合物熔體微分流細(xì)化的難題；Ding等[4]首次利用靜電紡絲技術(shù)制備出柔性二氧化硅無機(jī)納米纖維，其改性產(chǎn)品可應(yīng)用于高溫過濾材料。

1.2 發(fā)展趨勢

目前唯一能直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法是靜電紡絲，其特點(diǎn)是工藝簡單、操作方便、制造速度快等。隨著技術(shù)的不斷改善和理論的不斷完善，靜電紡絲在生物醫(yī)藥、環(huán)保、食品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.2.1 生物醫(yī)藥

Ao等[5]用棉纖維素/納米羥基磷灰石制成纖維支架用于骨組織工程修復(fù)，結(jié)果表明：隨著納米羥基磷灰石含量的增加，纖維的平均直徑在天然細(xì)胞外基質(zhì)纖維的范圍內(nèi)呈增長趨勢。He等[6]以可生物降解材料（Polylactic Acid，PLA）和鹽酸四環(huán)素（Tetracycline Hydrochloride，TCH）為原料，其中，PLA作為外層，TCH作為內(nèi)層，利用同軸靜電紡絲技術(shù)制得了可持續(xù)釋放TCH的載藥雙層纖維，可應(yīng)用于縫合線、傷口敷料等。

1.2.2 環(huán)保

姚春梅等[7]利用靜電紡絲技術(shù)制備出一種復(fù)合空氣過濾材料，測試結(jié)果表明，這種復(fù)合材料提高了對(duì)較小粒子的過濾效果，當(dāng)紡絲時(shí)間達(dá)到2 h時(shí)，對(duì)0.3 μm以上的粒子可以達(dá)到99%以上的過濾效果，說明復(fù)合納米纖維層提高了對(duì)小粒徑粒子的過濾作用。Alireza等[8]以苯乙烯和丙烯腈的共聚物為原料，在不同條件下，利用靜電紡絲技術(shù)制備了納米纖維。該納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，在沒有經(jīng)過后處理的情況下具有較強(qiáng)的吸油能力。

1.2.3 食品

Stoleru等[9]以殼聚糖和維生素E為原料，將利用靜電紡絲制備的納米纖維作為涂層固定在聚乙烯表面，維生素E能促使殼聚糖的黏度下降。利用這種方法制備的食品包裝材料能抗菌、抗氧化以及抵抗環(huán)境中酸堿度的變化。王雪芳等[10]以二氧化鈦和聚乳酸為原料，利用靜電紡絲制備了納米纖維，其能在一定程度上降低草莓的腐爛概率、延長草莓的貯藏期限。

2 靜電紡絲功能性納米纖維的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 開發(fā)現(xiàn)狀

利用靜電紡絲設(shè)備制得的纖維細(xì)長且表面光潔，具有較大的比表面積。目前，靜電紡絲納米纖維作為納米纖維的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。以納米粒子為原料研制出的功能性紡織品種類越來越多，其在市場上占據(jù)越來越重要的地位[11]，主要功能包括以下4種。

2.1.1 抗菌功能

目前，納米銀、納米TiO2、氧化鋅（ZnO）等微米顆粒以及其他納米材料可用于制備抗菌納米纖維[12]。Anisha等[13]以PAN和硝酸銀為原料，通過靜電紡絲技術(shù)制備了具有抗菌功能的復(fù)合纖維膜。

2.1.2 防紫外線功能

張振等[14]利用靜電紡絲技術(shù)制備出具有抗紫外性能的PVP/蘆丁納米纖維膜，測試結(jié)果表明：當(dāng)蘆丁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.30%時(shí)，UPF值達(dá)到40，說明納米纖維膜具有良好的抗紫外性能。余嗣輝等[15]制備了抗紫外PVA/蘆丁納米纖維膜，測試結(jié)果表明：相對(duì)于聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA），當(dāng)改性劑蘆丁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.76%時(shí)，PVA/蘆丁納米纖維的平均直徑為302 nm，UPF值大于40，具有良好的抗紫外性能。

2.1.3 防電磁輻射功能

二氧化錫、NiO等粒子能有效吸收電磁輻射，如由西安華捷科技發(fā)展有限責(zé)任公司研制的既可防電磁輻射、又可防紫外線輻射的服裝面料，可吸收、阻隔大量電磁波和等量的紫外線[16]。

2.1.4 阻燃功能

國外研制的膠體三氧化二銻粒徑小、易分散、著色強(qiáng)度低，被較好地應(yīng)用于阻燃纖維中[17]。國外用共混法制得的阻燃改性纖維有美國生產(chǎn)的阻燃黏膠纖維Durvil、瑞士生產(chǎn)的阻燃丙綸纖維Sandoflam 5071[18]。

隨著健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們愈發(fā)重視織物的功能性，因此，開發(fā)功能性納米纖維成為研究熱點(diǎn)，將其應(yīng)用于紡織品中，能增加紡織品的多樣性并開發(fā)出更多符合大眾需求的紡織品，進(jìn)而開發(fā)兼具多種功能的纖維尤為重要。

2.2 發(fā)展趨勢

為了滿足現(xiàn)代人的需求，制備高性能、多功能的納米纖維材料已成為當(dāng)前靜電紡絲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。靜電紡絲溶液的性質(zhì)在很大程度上影響了所制備的納米纖維，因此，基于多種材料的混合紡絲可以提高納米纖維材料的性能，使其功能更加多樣化。

Dadvar等[19]研究了PAN/MgO/Al2O3納米纖維的防紫外線性能，結(jié)果表明：MgO、Al2O3具有較大的比表面積且紫外線防護(hù)作用較強(qiáng)。Zarghami等[20]制備出聚氧化乙烯/殼聚糖/聚己內(nèi)酯/橄欖油納米纖維，對(duì)大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌有較好的殺菌作用。由于靜電紡絲納米纖維的穩(wěn)定性和力學(xué)性能有待改進(jìn)，徐安長等[21]通過在紡絲液中加入多壁碳納米管，探究了多壁碳納米管復(fù)合納米纖維的增強(qiáng)作用。研究發(fā)現(xiàn)，隨著MWNTs含量的增加，復(fù)合纖維氈的顏色由白色變成黑色，纖維直徑隨著多壁碳納米管含量的增加逐漸減小，且都小于90 nm；隨著多壁碳納米管的加入，復(fù)合納米纖維的結(jié)晶度有所提高，并增強(qiáng)了其熱穩(wěn)定性和拉伸性能。有學(xué)者選用聚酰胺作為基體，通過加入功能性離子納米銀和TiO2，采用靜電紡絲法制備了抗菌復(fù)合納米纖維氈。研究結(jié)果表明，納米離子的加入不僅使其具有功能性，還增強(qiáng)了復(fù)合納米纖維的力學(xué)性能。