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納米纖維材料特性及應用淺析
2015年05月30日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:9993
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傳統普通纖維材料的直徑多為5~50μm;最新開發的超細纖維直徑可達0.4~4μm。納米纖維概念:嚴格意義上指纖維直徑為納米級別的超細纖維,廣義上還包括將納米顆粒填充到普通纖維中對其進行改性的纖維。納米顆粒填充到普通纖維中對其進行改性的纖維也是目前國內外開發的熱點之一。真正意義上的納米纖維,由于其極大的比表面積和表面積-體積比所表現出的特殊性能,日益引起科學家們的重視。


一、納米纖維的特性和功效

 1.小尺寸效應 由于比表面積增大、體積減少,使反應性和選擇性明顯提高,使超低消耗等能以具體化。隨著纖維直徑的納米化,材料的聲、光、電磁、熱力學性質將會改變。

2.超分子排列效果 由于分子規整排列,可實現自我組織化,從而可顯現統一的功能。

3.認識細胞生物體材料的效果 結合細胞的認識而制成特異結構的納米纖維。

4.階層結構效果 即由于納米聚合物鏈水平的納米階層結構而出現的新效果。

 

二、納米纖維制造方法

拉伸法、生物制備法、自組裝、微相分離、靜電紡絲等。其中靜電紡絲法有操作簡單、適用范圍廣、生產效率相對較高等優點,因而被廣泛應用。靜電紡絲得到的電紡纖維具有直徑小(幾納米至幾微米)、比表面積高等特點。過程是將具有一定粘度的高分子溶液或熔體置于帶有金屬毛細管噴頭的裝置中,在高壓電場的作用下,處于噴口的液滴克服表面張力形成噴絲細流,在到達接收裝置之前,細流不斷分裂細化及溶劑揮發, 最后形成電紡纖維。若液體在連續的推動供給下,可得到一定厚度的超細纖維膜。目前這種技術使用高壓電和專門設計的設備生產納米聚合物纖維,技術門檻及生產成本較高。


據報道,2015年美國喬治亞大學的研究人員宣布開發出一種低成本制備極薄聚合物絲(即納米纖維)的方法。聚合物可以是天然材料(如蛋白質),也可以是人造材料(如塑料、橡膠、纖維、可生物降解材料)。研究人員利用非常簡單的手工設備就能在幾秒內產生出數百碼的納米纖維。將融化或者液化的聚合物混合氧化鐵或其他生物相容的磁性材料,并置于注射器中。將注射器附近的磁鐵固定在一個旋轉的圓形盤。隨著圓盤的旋轉,當磁鐵經過注射器的針尖,聚合物流體的液滴流動并連接到磁鐵上,形成納米纖維絲。如果這種技術能夠走出實驗室,真正投入工業化生產,必將帶來納米纖維制造領域的一次變革。

 

三、納米纖維應用舉例

 

1、復合材料增強

用納米纖維作為增強劑加固復合材料研究較多的是碳納米纖維、碳納米管,它們的復合材料密度僅為鋼鐵的1/6,強度卻達鋼鐵的100倍。盡管納米纖維的含量低,卻使復合材料的強度和硬度顯著提高。壓層材料常出現層脫現象,在其薄膜間添加納米纖維,壓層材料重量和層間距離幾乎不變,層間韌性卻顯著提高。

 

2、高效過濾介質

納米纖維復合制品具有阻隔高滲透懸浮粒子的性能,可大大提高過濾效率。作為氣相、液態的過濾或分離介質,可在制藥、實驗室、醫院、食品、化學及化妝品工業中使用,也可用于制作防化服或生物戰地服裝。將納米纖維網片與濕法成型的纖維素纖維非織造布復合,用于引擎系統的清潔過濾,可去除直徑為0.7~70 μm的粒子。納米纖維與某些選擇性試劑復合的纖維用于開發分子過濾器,將可能實現水汽與有機氣體和CO2和O2的分離;還可用于過濾生化武器中的毒劑。

 

3、生物醫藥領域應用:

納米纖維可用于人造血管、藥物輸送材料等中。在做細胞工程支架材料時,其作用是提供傳導性能和結構支撐,并改進支架的多空性;在藥品封裝中使用,可控制活性組分的傳輸。納米纖維材料還是燒傷病人理想的包扎繃帶藥物在人體內溶解速度快則吸收快,而藥物、載體的表面積則影響固體藥物的溶解速度,通過設計將藥物和納米纖維復合,可控制藥物在人體內的立即釋放、緩和釋放、延遲釋放。

 

整個人體的組織和器官幾乎都是納米結構單元的沉積,如骨頭、牙齒、皮膚等都是納米結構在納米尺度上的排列,人體細胞易于附著在直徑小于細胞本身的纖維周圍進行再生。使用生物高分子和生物可降解高分子的電紡絲納米纖維研制一種支架,能使細胞附著其上并向內生長最終實現生物復制,替換生物體內已經損壞的組織和器官。

 

用傳統的醫用紗布包扎傷口,除去紗布后會留下疤痕,而用生物相容的納米纖維制成的無紡布膜是結構精細多孔的薄膜,不僅能防止氣溶膠的進入和真菌的滋生,還可迅速吸收傷口的滲出液,除去后不留下疤痕。納米纖維易于生物降解,用它縫合傷口不必拆線,簡化醫療程序,減少痛苦。

 

4、精密電子和光學器件

導電納米纖維中特殊排列的高分子聚集體被稱為晶體缺陷,它使納米纖維內高分子本身具有傳輸和轉動功能。以納米纖維為載體能將納米器件排布起來,互相連接成大規模集成電路。由于化學反應速率與電極表面積成正比,因此大表面積導電納米纖維膜非常適用于制造高性能電池和多孔電極。最近發現的發光高分子和納米纖維的復合材料發生熒光藍移,這種材料有望在分子電子學等方面得到應用。

 

小結:納米纖維具有極大的比表面積、橫縱比、曲率半徑、極強的與其他物質的互相滲透力,納米纖維織物結構精細,具有特征光澤和顏色,極高的孔隙度,極好的柔韌性、吸附性、過濾性、粘合性、保溫性。納米纖維獨特的性能使其在膜材料、過濾介質、催化劑、電子產品、生物制品、復合增強材料等領域擁有巨大的市場潛力。

                                                  (粉體圈 作者:終吉)


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