靜電紡絲技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

管 山，蓋廣清

（吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

靜電紡絲法具有設(shè)備簡單、操作簡單、生產(chǎn)效率相對較高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于納米纖維的制備。采用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維，具有比表面積大、柔軟等特點，被廣泛應(yīng)用于催化劑、環(huán)境保護、電池、噪音吸收、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

1 靜電紡絲技術(shù)的原理

靜電紡絲需要的設(shè)備有高壓電源、收集裝置、溶液儲存裝置、噴射裝置等（圖1）。其原理是利用高壓電源，在溶液與收集裝置之間形成電壓差，使得溶液克服液體的表面張力而形成泰勒錐。當(dāng)電壓超過一定值，液體就會從泰勒錐端部噴射出來。噴射的液體沿著電場力的方向被拉伸，經(jīng)過冷卻和溶劑揮發(fā)，最終在收集裝置上形成納米纖維。一般情況下，靜電紡絲所需的電壓在幾千伏至幾十千伏之間[1]。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖

2 靜電紡絲的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電磁屏蔽

日常生活中，電子設(shè)備的數(shù)量越來越多且使用頻繁，難免會發(fā)生電子設(shè)備之間相互干擾的情況，因此設(shè)備的抗電磁屏蔽性能尤為重要。Intel Corporation發(fā)布的一份白皮書中提到，USB 3.0設(shè)備所產(chǎn)生的無線電頻率，會對2.4GHz的無線設(shè)備產(chǎn)生干擾[2]。因此，對設(shè)備采取電磁屏蔽措施，可以有效減少其他設(shè)備的干擾，以及本設(shè)備對其他設(shè)備的干擾。為了達到屏蔽電磁輻射的目的，一般采用金屬編制網(wǎng)、銅箔或鋁箔對線纜進行屏蔽，電路板上的元器件則一般用金屬屏蔽罩進行屏蔽。但某些有特殊要求的物體要進行電磁屏蔽時，上述的方法可能就無法滿足要求了。不易腐蝕且較柔軟的納米纖維則有可能滿足這些特殊需求。宋欣[3]采用靜電紡絲法，制備了乙酰丙酮鎳摻雜聚丙烯腈的納米纖維，經(jīng)預(yù)氧化和碳化處理得到了鎳摻雜的碳纖維。實驗結(jié)果表明，鎳鹽含量為30%、厚度為0.5mm時，納米纖維在頻率12.4GHz下的屏蔽能效為30.07dB。郝婧[4]采用靜電紡絲并結(jié)合高溫碳化法，制備了Fe-Ni/C納米纖維，并進行了電磁屏蔽性能的測試。實驗結(jié)果表明，先用濃度為8wt%的PAN和濃度為7wt%的金屬鹽的紡絲液制備前驅(qū)體，再在800℃下煅燒制成的Fe-Ni/C納米纖維，厚度為3mm時的最小反射損耗可達-22dB，厚度為2.75mm時的最大有效吸收帶寬為9GHz。采用靜電紡絲和煅燒處理的方法，把不同比例的聚碳硅烷（PCS）和聚苯乙烯（PS）制備成SiC納米纖維，并對其進行電磁屏蔽性能測試。實驗結(jié)果表明，紡絲液中的PSC和PS濃度分別為16wt%和8wt%時，制備的厚度為1.6mm的SiC納米纖維，在15.8GHz下的最小反射損耗RLmin為-40dB。將制備的納米纖維與石墨烯復(fù)合，分別制備了納米纖維含量為3wt%的Fe-Ni/C NFs-rGO和SiC NFsrGO復(fù)合膜，二者的厚度為0.013mm時，在X波段（8~12GHz）分別有27dB和23dB的屏蔽效能。

2.2 電池

近年來，藍牙耳機、電動汽車、手機、電腦的普及，使得對電池的要求越來越高，因此近年來電池一直是熱門的研究方向。目前常用的鋰離子電池一般由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、集流體、粘接劑、導(dǎo)電劑等組成。除了鋰離子電池之外，燃料電池、鉛蓄電池等其他類型的電池也有廣泛應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)也可以應(yīng)用于電池中。湯豐丞等人[5]采用靜電紡絲技術(shù)，將PAN溶液噴涂到PE電池隔膜的兩面，制備了PAN/PE復(fù)合隔膜。實驗結(jié)果表明，相較于PE隔膜，制備的PAN/PE復(fù)合隔膜具有更好的潤濕性和更強的熱穩(wěn)定性。相比用PE隔膜制備的鋰電池，用PAN/PE復(fù)合隔膜制備的鋰電池擁有更大的放電比容量，具有更好的倍率性能。WANG L等人[6]采用靜電紡絲法，將摻雜了硅的聚丙烯腈溶液制成了納米纖維，再經(jīng)高溫碳化，制成了摻雜硅的碳納米纖維。相較于碳纖維，摻雜硅的納米碳纖維擁有更高的容量。鋅-空電池是一種正極活性物質(zhì)為氧氣、負極活性物質(zhì)為鋅的電池，氧化還原電催化劑是其重要的組成部分，目前常用的是Pt基催化劑。由于Pt元素在自然界中非常稀少，導(dǎo)致目前商用的Pt基催化劑的價格昂貴且產(chǎn)量較少。張旭等人[7]采用靜電紡絲和高溫煅燒的方法，制備了自支撐Co/CNF碳納米纖維膜，并將其作為空氣陰極。測試結(jié)果表明，以Co/CNF作為陰極的鋅空氣電池，其開路電壓和峰值功率密度均較高，分別為1.46V和185mW?cm-2，優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑。

2.3 環(huán)境保護

2.3.1 光催化

隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問題越來越受到重視，水中有機污染物的降解已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。半導(dǎo)體光催化技術(shù)被認為是一種降解水體中污染物的重要手段。制備半導(dǎo)體光催化劑的常用方法有氣相沉積法、水熱法、靜電紡絲法等。Sihui Zhan等人[8]采用同軸靜電紡絲技術(shù)，制備了以磁性γ-Fe2O3為芯層、Ti0.9Si0.1O2為鞘層的磁性芯鞘功能納米纖維。Ti0.9Si0.1O2在太陽光下降解亞甲基藍的效率為90%，相較于純 TiO2（62.9%），對亞甲基藍的降解率有所提升。商希禮等人[9]以三聚氰胺和五水硝酸鉍為原料，采用靜電紡絲方法制備了Bi2O2CO3/g-C3N4復(fù)合納米纖維材料，并在模擬可見光（300W氙燈）下降解亞甲基藍，降解率為83.2%，約為相同條件下g-C3N4的2倍。張明高等人[10]采用靜電紡絲技術(shù)制備了Zn(CH3COO)2/PVP復(fù)合纖維膜，再經(jīng)高溫煅燒，得到了ZnO納米纖維。實驗結(jié)果表明，ZnO納米纖維對羅丹明B的降解率達到了96.3%，相比文獻中用水浴法制備的ZnO納米顆粒對羅丹明B的的降解率（94.1%），有一定的提高[11]。簡紹菊等人[12]以PVP、硝酸銀、二水合醋酸鋅為原料，采用靜電紡絲技術(shù)并結(jié)合高溫煅燒，制備了Ag/ZnO復(fù)合納米纖維。當(dāng)Ag的摻雜摩爾分數(shù)為4%、煅燒溫度為600℃時，復(fù)合納米纖維對甲基橙的降解率為99.9%。孫科[13]采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合油浴法，制備了Pt/WO3納米纖維光催化復(fù)合材料。當(dāng)Pt顆粒的含量為1%時，Pt/WO3納米纖維對羅丹明B的降解率為93.7%。孫科還采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合高溫煅燒，分別制備了ZnWO4/WO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管和CoWO4/ZnWO4多孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管，二者在可見光下對4-NP的降解率，分別為91.2%和90.3%。蓋廣清[14]采用同軸靜電紡絲技術(shù)和同單軸靜電紡絲技術(shù)，分別制備了空心[PVP＋Ni(NO3)2]納米纖維和[PVP＋Ni(NO3)2]納米纖維，再經(jīng)高溫煅燒，分別制成了NiO納米管和NiO納米纖維。以羅丹明B為目標降解物，進行材料的光催化性能測試，結(jié)果表明，NiO納米管和NiO納米纖維對羅丹明B的降解率，分別為72%和62%。

2.3.2 吸油

越來越多的海上鉆井平臺和油輪，使得海洋中的油料泄漏問題頻頻發(fā)生。海上油料泄漏會污染海水水質(zhì)，危害海洋生態(tài)系統(tǒng)，影響海濱旅游業(yè)[15]，給環(huán)境和經(jīng)濟帶來雙重打擊。目前常用的處理海上漏油的方法有生物降解法[16]、物理擴散法[17]、物理吸附法[18]、直接燃燒法[19]等。王繽冰等人[20]采用靜電紡絲和PEO模板相結(jié)合的方法制備了PVDF納米纖維，并進行了吸油性能測試。結(jié)果表明，制備的PVDF納米纖維對潤滑油、柴油、植物油和汽油的吸油倍率，分別為 24.2g?g-1、11.8 g?g-1、14.0 g?g-1和8.4g?g-1，遠超PVDF普通膜，且具有良好的重復(fù)使用性能。劉強飛等人[21]采用靜電紡絲技術(shù)制備了多孔聚乳酸納米纖維膜，用丙酮處理5min后進行了吸油性能測試。結(jié)果表明，其對硅油、大豆油、機油的吸油倍率，分別為 66.21g?g-1、50.47g?g-1和15.59g?g-1。

2.4 抗菌材料

抗菌材料在我們的生活中十分常見，目前在醫(yī)療、服裝等領(lǐng)域均有應(yīng)用。近年來，隨著人們對食品安全問題的重視，用抗菌材料包裝食品，以避免被微生物污染而發(fā)生腐敗及食品安全問題，逐漸成為一個研究熱點[22]。董西玲等人[23]制備了經(jīng)聚多巴胺改性且粘附了銅離子的聚己內(nèi)酯靜電紡絲膜，該靜電紡絲膜可以有效抑制變形鏈球菌。胡銀春等人[24]采用水熱法制備了微米級的MOF-5顆粒，并將銀粒子負載到MOF表面，制備了納米級Ag@MOF-5 粒子，然后采用靜電紡絲技術(shù)制備了Ag@MOF-5/β-CD 靜電紡纖維膜（Ag@ MOF-5的質(zhì)量分數(shù)為0.5%）。抑菌圈法的檢測結(jié)果表明，其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為12.93mm和12.14mm，對這2種細菌有良好的抑制作用。Ying Wang等人[25]以PCL/PVL (CV)為納米纖維底物，MgONPs為抗菌劑，采用靜電紡絲技術(shù)制備了MgO/PCL/PVP (MCV)抗菌納米纖維。當(dāng)MgONPs含量為3.0 wt%時，納米纖維對大腸桿菌具有良好的抗菌性能，抗菌率為100%。李夢娜等人[26]采用靜電紡絲技術(shù)制備了載姜黃素的抗菌型苯丙氨酸基聚酯脲復(fù)合納米纖維膜（PBP/PCL/Cur靜電紡納米纖維膜），對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率分別為94.5%±2.1%和93.3% ±1.3%，具有良好的抗菌性。

3 結(jié)語

靜電紡絲技術(shù)在電子、新能源、環(huán)境保護、醫(yī)療、食品等行業(yè)有著較大的應(yīng)用前景，但在采用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維時，影響性能的因素較多，因此要采用靜電紡絲技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)品質(zhì)穩(wěn)定的納米纖維存在一定困難。此外，在采用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維時，使用的一些溶劑具有一定的毒性，對人員與環(huán)境均不是很友好。目前的研究結(jié)果與大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)及綠色生產(chǎn)還有較大差距，仍需研究者進行深入研究。