乔治亚理工夏幼南教授：静电纺丝制备纳米纤维的原理、方法和应用

美国佐治亚理工学院的夏幼南教授团队在国际著名期刊Accounts of Chemical Research发表题为”Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications”的综述文章。该篇综述阐述了静电纺丝制备纳米纤维的原理和方法 ，同时还介绍了静电纺丝纳米纤维的应用领域并对未来的研究方向进行了展望。

静电纺丝是一种利用表面经典排斥作用，以粘性流体为原料，简便、通用、连续地制备纳米纤维的方法。静电纺丝制备的纳米纤维，其直径可以达数十纳米，纳米纤维的材料范围广泛，包括高分子、陶瓷、小分子以及其复合物。除了可以制备表面光滑的纳米纤维，静电纺丝发还可以制备具有二级结构的纳米纤维，包括孔、空腔、核-壳结构等。纳米纤维的表面和内部可进一步地加入分子或纳米颗粒修饰，这一过程可在静电纺丝过程中同时进行、也可在纳米纤维形成之后进行。另外，对纳米纤维进行排列、堆垛、折叠，可组装形成有序结构或分级结构。这些特性使得静电纺丝被广泛应用于空气过滤、水处理、异相催化、环境保护、智能织物、表面涂层、能量的收集转化和存储、封装生物活性材料、药物缓释、组织工程、再生医学等。

静电纺丝的装置和基本原理：静电纺丝的装置包括四部分：高压电源、注射泵、喷丝头、接收器。当粘弹性流体被推出喷丝头时，表面张力会促使其形成球形液滴。而由于喷丝头上外加了高电压，使液滴表面带同种电荷。当静电排斥作用足够强时，可以抵消表面张力作用，此时液滴不是球形而是圆锥形。开始喷丝后，液体首先进入锥-射流区（cone-jet），在表面电荷排斥和强电场的共同作用下，射流直径越来越小、直至发生弯曲。之后射流进入鞭动不稳定区（whipping instability）,射流加速的同时如鞭子一样摆动，在此射流直径大幅下降、溶剂挥发。最终，射流固化形成超细直径的纤维。

图1 静电纺丝的装置；纺丝的光学照片

从高分子纤维到陶瓷纳米纤维：静电纺丝最初是利用高分子溶液、制备高分子纳米纤维的技术。当结合溶胶凝胶法后，其应用领域扩展到复合纳米纤维和陶瓷纳米纤维。最早人们以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和钛酸四丁酯为原料、用静电纺丝法制备无定形 TiO2 纳米纤维，空气中煅烧后除去有机物。类似的方法可以用来制备系列氧化物的纳米纤维。

图2 PVP/TiO2 复合纳米纤维， TiO2陶瓷纳米纤维

多孔纳米纤维：在本为实心的纳米纤维中形成多孔结构能有效提高其比表面积。主要策略是（1）选择性去除纳米纤维中的一种组分，例如将复合纳米纤维中的聚合物烧掉、留下多孔陶瓷纤维；（2）在完全固化前诱导产生聚合物-溶剂相分离，例如直接将纺丝喷入液氮中，用冷冻干燥法得到多孔高分子纳米纤维。

图3 几种多孔高分子纳米纤维。

　中空纳米纤维：制备核-鞘结构或者中空的纳米纤维，可以使用两种不互溶的溶液、使用同轴喷头实现。例如外侧喷头喷出 PVP/钛酸四丁酯溶液、内侧喷头喷出重矿物油，所得纺丝经过烧结或溶剂萃取，可以得到中空 TiO2 纳米纤维。

图4 中空TiO2 纳米纤维的制备装置结构和SEM

图5 利用静电场调节纳米纤维取向。

图6 多孔-SiO2/Pt/TiO2纳米纤维，及其催化甲基红加氢

链接地址：
http://www.espun.cn/news/detail-350.html