纳米纤维的研究和应用

刘辅庭

（上海 200092）

1 纳米纤维活性炭材料的强度提高的研究［1］

Aichi产业科学技术综合中心研究了静电纺丝法制造纳米纤维活性炭，热收缩特性及强度特性是课题。

为此，静电纺丝法制造纳米纤维时，引入纤维取向工程，其后加热处理时引入拉伸工程，以提高纤维强度。又试行保持活性炭材料的比表面积，结果，可知静电纺丝时的卷取速度影响纤维的取向性；加热处理时加适当的负荷，拉伸强度从原来的70%提高到90%。水蒸气赋活后，BET的比表面积高达1 160m2／g（原来为800m2／g）。

1.1 序言

静电纺丝法制造纳米纤维及纳米纤维的碳化技术，现在不仅是纤维领域，而且电子装置及汽车领域，引起注目，各市场规模为数千亿日元，今后将扩大。

该中心研究了静电纺丝法制造纳米纤维活性炭材料。拉伸工程使纤维或膜的分子取向，同时取向结晶，从而提高材料强度及尺寸稳定性。

静电纺丝法制造纳米纤维时，引入纤维取向工程，在加热处理时引入拉伸工程，以提高纤维强度。并试行提高活性炭材料的比表面积。

1.2 纳米纤维活性炭材料的制造条件

制作纳米纤维材料时，使用ESP-001型静电纺丝装置，静电纺丝条件是：试样为聚丙烯腈纤维；溶剂二甲基甲酰胺；电压15kV；注射量25μL／min；注射针22G。

1.2.1 静电纺丝时控制纤维方向

卷取速度为6、65、300、600m／min。由于卷取速度不同，纤维取向性，用扫描电子显微镜JSM5310LV进行观察。

1.2.2 纳米纤维的热处理条件

热处理条件是：（1）室温→10℃／min→300℃（60min）空气；（2）室温→10℃／min→220℃→5℃／min→320℃（5min）空气；（3）室温→10℃／min→220℃→1℃／min→305℃（600min）空气；（4）室温→7℃／min→800℃（5min）N2；（5）室温→10℃／min→900℃（45minH2O）N2

（1）～（3）为氧化，（4）为碳化，（5）为赋活条件。

用热重量／差示热（TG／DTA）分析装置测定热处理对纳米纤维材料的影响。

1.2.3 纳米纤维的加热拉伸

引入加热拉伸工程后，试行提高强度及尺寸稳定性。一般制造以聚丙烯腈为母体的碳纤维时，在氧化工程张紧纤维以抑制长度方向的热收缩，进行拉伸以提高弹性模量及拉伸强度。

现在卷取速度为65m／min，拉伸工程是：1吊式即使纳米纤维材料的卷取方向为直向，在下端吊2.5kPa重锤；2平式即将纳米纤维材料放在陶瓷板上，在上下端放2.5kPa重锤而固定。

1.3 纳米纤维材料的特性评价

1.3.1 纳米纤维材料的强度

试验方法是：试验机定速伸长型，试样宽10mm，夹距10mm，拉伸速度10mm／min，温湿度20℃×RH65%。

1.3.2 纳米纤维的表面特性

用自动比表面积／微孔分布测定装置测定液体氮温度77K的氮气吸附等温线。根据数据制作BET解析，从直线性相对压力0.1的范围，计算比表面积，求出平均微孔直径。根据MP图解析微孔直径分布。

1.3.3 纳米纤维材料的吸附特性

甲苯气（8mg／L）和试样封入3L 袋，20℃×65%RH的环境中由检测管测定一定时间静置后的残留浓度。试样为23mg，吸附时间为1、5、60min、24、48h。

1.4 结果及考察

1.4.1 静电纺丝时控制纤维方向

到卷取速度65m／min，未见速度的差异。300m／min时较多纤维按卷取方向排列。600m／min时大部分纤维按卷取方向排列。可知纳米纤维的方向性依赖于集丝部的卷取速度。但是纤维直径都是约200nm。

1.4.2 纳米纤维的热处理

超过250℃时有激烈的发热反应，表明着火燃烧。220～300℃无激烈的发热反应，表面氧化顺利。得率在氧化后为75%，碳化后23%。静电纺丝、氧化、碳化后差异不大。但赋活后纤维变细，空隙增加。

经图像处理计算纤维直径后可知，静电纺丝、氧化、碳化后为200～300nm，赋活后约90nm。

1.4.3 纳米纤维材料的物性

到卷取速度65m／min，差异不大，到300、600m／min，纵向拉伸强度变大，而横向拉伸强度减小。这是由于卷取速度增加时，纵向排列的纤网较多，横向排列的纤维减少。纵向拉伸强度增加显著，而横向减少缓慢。这是由于纳米纤维纵向叠层，横向纤维形成非织布。

无负荷时，纵向横向强度减少显著。按卷取方向加负荷的吊式和平置式，抑制拉伸强度的减少，可保持原强度纵向为90%，横向70%。

热处理后的拉伸强度减少。氧化时加适当的负荷，可抑制拉伸强度的减少。碳化时加负荷会产生割裂，因此不能加负荷，而强度减少50%。

氧化时加负荷，碳化后的得率相同，而尺寸稳定率改善5%～10%。

赋活后试样变细，难以拉伸试验。

1.4.4 纳米纤维材料的表面特性

表1为按BET解析的比表面积及平均微孔直径。

表1 按BET解析的比表面积及平均微孔直径

1.4.5 纳米纤维材料的吸附特性

氧化后试样经48h，甲苯残留浓度基本不变。碳化后试样在1min后显示高吸附性。这是由于比表面积高。

1.5 结语

（1）静电纺丝时提高卷取速度，可赋予纳米纤维的方向性，而提高纵向强度。

（2）氧化时加适当的负荷，可纵向90%、横向30%的拉伸强度。

（3）氧化时加适当的负荷，可改善碳化后的尺寸变化率5%～10%。

（4）碳化后纳米纤维的BET比表面积高达800m2／g。赋活后比表面积增到1 160m2／g.

2 纳米纤维应用于医疗领域［2］

2.1 组织再生的支架

为实现组织再生，需要构成再生组织的细胞，可控制细胞分化功能的液性因子，细胞结合再构筑组织的支架。细胞被细胞外基质（ECM）包围。ECM是细胞分泌的以骨胶原为代表的蛋白质、以透明质酸酸为代表的多糖类及其复合的糖蛋白质等为主成分的含水凝胶。蛋白多糖ECM还控制增殖、分化、功能等。

2.2 用于支架的高分子材料

支架埋于体内用于再生医疗时，随组织的再生支架被吸收，需要置换再构筑的细胞外基质。

代表性生物降解性高分子有如聚-α-羟酸。今由聚乳酸和丝蛋白的混合溶液经静电纺丝制作纳米纤维，作为骨芽细胞的培养基材进行评价。用溶剂三氟醋酸和甲酸，可制作按任意比率的纳米纤维非织布（纤维直径约400nm）。与聚苯乙烯制细胞培养皿（T聚乳酸和丝蛋白CPS）相比，接合于纳米非织布稍迟，但经24h，接合率及形态无差异。对TCPS，细胞是全体接合，对非织布是点接合，细胞状态有所不同。继续培养时，随丝蛋白含量增加，细胞增殖良好，改变组分，可改变细胞增殖行为。

2.3 对纤维直径变化的纳米纤维的细胞接合性

改变静电纺丝的条件，可制作纤维直径不同的非织布。今用纤维直径不同的纤维素非织布，来探讨骨芽细胞的行为。静电纺丝法制作平均纤维直径300nm、5 000nm的非织布。对这些基材的细胞接合性良好，但接合形态不同。在纤维素膜上，骨芽细胞全体伸展而发达。而100nm上的细胞伸展较小而不发达。可知平面结构的基材和纤维结构的基材的细胞伸展形态不同，细胞的行为不同。

2.4 纳米纤维与支架

静电纺丝法制作的非织布的纳米纤维是立体叠层。现在纤网薄，孔径小，约10μm的细胞或组织难以进入内部。细胞进入，需要100～300μm的孔。现在海绵状生物材料广泛用作立体支架。在体内，细胞要被生物高分子包围，需要纳米纤维的立体结构，要改进纺丝成形。

［1］ 浅野春香.关于纳米纤维活性碳材料的强度提高的研究［J］.加工技术（日本），2013，48（10）：7-13.

［2］ 阿部康次.纳米纤维用于医疗领域［J］.加工技术（日本），2013，48（10）：1-6.