纳米纤维的性质及应用进展

纳米纤维的性质及应用进展

王永芝　杨清彪　李耀先

(吉林大学化学学院,长春130023)

摘　要　介绍并阐述了高科技纳米纤维的独特性质及其在国防、医药、化工、电子等方面的应用研究状况,并展示了纳米纤维广阔的应用前景。希望我国应加强人力和物力对纳米纤维及其应用进行开发研究。

关键词　纳米纤维,性质,应用研究

The characteristics and application progress of nanof iber

Wang Y ongzhi　Yang Qingbiao　Li Yaoxian

(Chemistry Department of Jilin University,Changchun130023)

Abstract　The characteristics and potential applications of nanofiber were introduced.The present status of application research of nanofiber in national defensive industry,medical treatment,chemical engineering and electronics etc.were dis2 cussed.The application prospects of nanofiber were expected to be unlimited.China should pay more attention to research and develop the applications of nanofiber.

K ey w ords　nanofiber,characteristics,application research

1990年7月,第一届国际纳米技术会议在美国巴尔的摩召开,会议正式公布纳米材料科学成为材料科学的一个新分支,从此纳米材料引起了世界各国的极大兴趣和广泛关注,掀起了世界范围的纳米研究热潮。各种纳米尺度的纳米粒子、纳米纤维、纳米管、纳米线和纳米膜已经制备出来。近几年,特别是纳米纤维及其应用研究已成为前沿热点,许多国家和地区纷纷制定了纳米纤维技术相关战略和计划,投巨资进行研究开发,以抢占纳米纤维技术的战略高地,而目前纳米纤维的应用研究更是如火如荼。

1　纳米纤维的性质

纳米纤维是指纤维直径在1～100nm尺度范围内的纤维。当纤维的直径从微米级缩小到纳米级时,就会出现许多意想不到的新奇性质。纳米纤维具有极大的比表面积(是普通微米纤维的1000倍),极高的纵横比(长度直径比)、曲率半径和极强的与其他物质的互相渗透力。纳米纤维织物具有精细的织物结构,特征的光泽和颜色,极高的孔隙度,极好的柔韧性、吸附性、过滤性、粘合性和保温性。这些显著的性质使纳米纤维在许多重要领域的应用具有不可限量的潜能。

2　纳米纤维的应用状况

2.1　国防方面

现代战争中,人们越来越重视防护用品的使用。因为防护用品可以最大限度地减少士兵的伤亡和发挥单兵作战的能力,使其在战场上经受住恶劣天气条件的考验,免遭敌方发射的弹道导弹、核武器、生物武器和化学武器的伤害。目前所使用的防护用品大多以木炭作为吸附剂,它在隔绝毒气的同时,也阻断了水蒸气的传输,穿着时笨重而不舒适。纳米纤维膜具有低密度、高孔隙度和比表面积大的特点,可以用于制造质量轻,且具有选择性吸附功能的新型防护用品。这种新型防护用品对汽溶胶有很强的阻挡性,从而对生物化学武器有很好的防护性,同时不

第32卷第12期2004年12月

化工新型材料

N EW CHEMICAL MA TERIAL S

Vol132No112

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作者简介:王永芝,女,吉林大学化学系在读博士,主要从事复合纳米纤维性质及应用研究。

阻挡水蒸气的扩散,保证了穿着的舒适性[1～3]。有研究表明,Pt和TiO2纳米颗粒对一些神经性毒气有很强的降解作用,将这些具有类似功能的组分掺杂到纳米纤维中,可以用于制作防护口罩和高性能防护服[4]。

1999年,诺贝尔化学奖获得者2美国宾夕法尼亚大学化学系教授麦克迪尔米德提出了复合纳米纤维的概念,他将纳米级粒子与纳米纤维进行复合,这种复合纳米纤维在国防方面显示出了诱人的应用前景。许多金属纳米粒子对海洋微生物具有杀伤力,将铜、镍等纳米粒子渗入到高分子纳米纤维中,合成导电无纺布,再把小块的无纺布渗入到涂料中,用这种涂料覆盖舰体,在海浪的冲击下,涂层中会产生微弱的电流,从而避免海洋生物在舰壁的附着,解决了海军舰艇的防腐难题。

2.2　提高材料机械性能方面

常规的微米纤维,特别是像玻璃、碳黑等工程纤维最重要的应用之一是作为增强剂与其他材料复合,提高材料的硬度、强度、韧性等机械性能。纳米纤维加固复合材料具有微米纤维复合材料无法比拟的优点。例如:由于微米纤维和透明基体材料的折光率不同,所得到复合物的光散射变得不透明,而纳米纤维将会克服这一弱点。因纳米纤维的直径(1～1000nn)明显小于可见光波长(340～850nm),与基体材料的复合物在透光性方面不会发生变化[4]。

目前关于纳米纤维用作增强剂的研究多数是涉及碳纳米纤维和碳纳米管[5,6]。碳纳米纤维与碳纳米管的复合材料密度仅为钢铁的1/6,但强度却是钢铁的100倍。这种复合材料适用于制作各种抗冲击用品。

有研究表明[7,8],对使用尼龙纳米纤维无纺布膜和环氧树脂制备成功的复合膜和单组分膜进行张力试验,复合膜中纳米纤维含量很低,但复合膜的强度和硬度却显著提高。

纳米纤维除了可以提高复合材料的强度和硬度,还可以增加材料的韧性。众所周知,层压材料常会出现层脱现象,最近美国的Dienis和Reneker[9]发明一项专利,在层压材料的薄层间使用纳米纤维来提高材料的抗层离性。在层压材料每层的界面间添加纳米纤维,层压材料的重量和层间距离几乎不变,但层间韧性却大大提高。

2.3　高效过滤介质方面

许多领域都需要使用过滤介质,过滤效率与过滤介质的纤维细度密切相关。因过滤介质的通道和结构单元需与被过滤物质的粒子大小相匹配,将纳米纤维应用到过滤介质中,就可以除去气体或溶液中纳米级的粒子[10,11]。

据有关报道[12],用纳米纤维制作的过滤器可以过滤汽溶胶,适用于净化空气。纳米纤维与某些选择性试剂复合的纤维被用于开发制作分子过滤器,将有可能实现水汽与有机气体和CO2与O2的分离。也还可用于过滤生化武器中的有毒试剂。

Freudenterg Nonnorens[13]是当今世界上使用纳米纤维制作高效过滤器的最早厂家,生产的过滤器被应用到许多重要领域。

2.4　药品传输方面

药品在人体内的溶解速度是影响人体对药品吸收的关键因素。固体状药品的溶解速度随药品及载体表面积的增加而加快。许多研究表明[14～16]:纳米纤维在药品传输方面有巨大的应用潜能,通过设计可以将药品与纳米纤维进行复合,控制药品在人体内进行立即释放、缓和释放和延迟释放。

2.5　生物材料方面

从生物学的观点来看,整个人体的组织和器官几乎都是纳米结构单元的沉积,像骨头、牙齿和皮肤等都是多种纳米结构在纳米尺度上的排列。人体细胞易于附着在直径小于细胞本身的纤维周围进行再生[17],基于这一现象,纳米纤维将成为重要的生物材料。

开发和研制用于修复或替换人体坏损组织和器官的新型生物材料一直是组织工程和生物材料领域最具挑战性的工作。近几年,人们在尝试用纳米纤维制作细胞接种、转移和生长模板等方面取得了一定的进展[18～20]。有研究者使用生物高分子和生物可降解高分子的电纺丝纳米纤维来研制一种支架,能够使细胞附着在上面并向内生长最终实现生物复制,用于替换生物母体内坏损的组织和器官。

以(D,L)丙交酯2羟基乙酯聚合物为原料,电纺丝法制备的纳米纤维可制作一种支架,支架的孔隙度和机械强度与人体组织细胞质的结构非常相似,用作细胞附着和繁殖的载体。研究表明:接种在这种支架上的细胞能保持原有形貌,并能沿纤维方向定向生长。Mathews[21]研制了与弹性蛋白相类似的高分子纳米纤维,并用它模拟了动脉血管壁上蛋白质纤维的生物功能。Buchko[22]用具有连接功能的类似丝绸的高分子纳米纤维制作了生物相容性薄膜,这种薄膜可以植入中枢神经系统,有助于修复断裂的中枢神经。另外,将纳米纤维膜附着在植入生

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・化工新型材料第32卷