静电纺丝技术制备多功能纳米纤维的研究进展

杨程博 于涵 林美娜 周澳 石广森

1. 引言

近年来，科技飞速发展，纳米结构材料以其独特的特性受到了广泛的应用。一维纳米结构材料——纳米纤维具有大的长径比和比表面积，以及独特的物理、化学特性，成为了纳米科学的前沿和研究热点。纳米纤维常用的制备方法有：拉伸、模相分离、板聚合、自组织和静电纺丝法等，静电纺丝法是一种简单易行，操作简单的制备纳米材料的方法，并且是目前唯一能够直接、连续制备纳米纤维的方法。

静电纺丝技术是由Formhals提出的，在其申请的专利中阐述了，利用静电力生产聚合物纳米纤维的装置，利用高压静电将纺丝溶液拉伸成为纤维。采用静电纺丝法制备的纳米纤维具有比表面积高、孔隙率大等优点，在过滤膜、光催化、组织工程支架、光电器件等方面具有极高的应用价值。早期静电纺丝技术主要用于制备单一聚合物纳米纤维，随着对静电纺丝技术各种实验参数的不断优化研究，静电纺丝法已经被广泛的用于制备多功能纳米材料领域。

2. 静电纺丝技术制备磁光双功能纳米纤维

陈[1]等人采用静电纺丝法制备了钇铁石榴石（YIG）纳米纤维。以无水乙醇作为溶剂，PVP作为模板剂，Fe（C11H19O2）3和Y（OOC10H19）作为无机盐，配制成纺丝溶液，在750℃下焙烧得到尺寸均匀的YIG纳米纤维，直径大约为100 nm。实验中发现，随着焙烧温度的提高，纤维的直径变细，长度变短，制备的样品纯度提高，没有杂相出现。盖[2]等人采用静电纺丝技术将稀土配合物发光物质、Fe3O4磁性纳米粒子和聚乙烯毗咯烷酮（PVP）复合，制备出荧光性能和磁学性能可调的柔性纳米纤维。详细研究了制备纳米材料形貌、稀土配合物的种类、含量和磁性纳米粒子的含量对磁光双功能复合纳米纤维性能的影响，讨论了磁性物质对发光物质性能的影响。其中，Fe3O4/Eu（BA）3phen/PVP复合纳米纤维和Fe3O4/Tb（BA）3phen/PVP复合纳米纤维中，稀土配合物的最佳比例分别为15%和20%。

3. 静电纺丝技术制备磁性-光催化纳米纤维

刘[3]等人采用静电纺丝技术制备了Janus型ZnFe2O4/ZnO异质结中空纳米纤维。研究发现在可见光照射下Janus型ZnFe2O4/ZnO异质结中空纳米纤维的光催化性能明显优于ZnFe2O4中空纳米纤维和ZnO中空纳米纤维。主要是由于ZnFe2O4/ZnO异质结提高了电子-空穴的分离效率。Janus双面结构促进了子和空穴向相反方向的迁移，使电子迁移至ZnO表面，而空穴迁移至ZnFe2O4表面，使得氧化反应和还原反应分别发生在双面的两侧。同时，一维纳米纤维大的长径比为电子的快速传输提供了通道，进一步提高了电子和空穴的分离效率。实验中发现，Janus型ZnFe2O4/ZnO异质结中空纳米纤维的光催化性能也显著优于ZnFe2O4/ZnO异质结复合纳米纤维。张[4]等人对传统静电纺丝法进行改进，采用双喷丝头制备了La3+-TiO2/CoFe2O4磁性复合光催化纳米纤维材料。将样品分别在550 ℃、600 ℃、650 ℃，恒温2 h，得到了纯相的La3+-TiO2/CoFe2O4磁性复合光催化纳米纤维。在紫外-可见光下照射 2.5 h，对亚甲基蓝的降解率达到92%。La3+-TiO2/CoFe2O4磁性复合光催化纳米纤维的磁学性能与纯CoFe2O4纳米纤维接近，说明此材料可进行磁性回收。王[5]等人采用静电纺丝法与水热法及连续离子吸附法相结合制备了可磁分离TiO2/Fe3O4/BiOI复合纤维。首先采用静电纺丝法制备了TiO2纳米纤维，然后将得到的纳米纤维置于烧杯中，加入六水三氯化铁、醋酸钠和乙二醇（EG）混合、超声，然后将混合液置于高压反应釜中200 ℃下保温 4 h，得到TiO2/Fe3O4复合纤维。最后，将得到的复合纳米纤维与硝酸铋和碘化钾溶液混合，反应2 min，然后水洗，重复循环20、40、60次得到TiO2/Fe3O4/BiOI复合纤维。研究发现，当重复循环20次所制备的TiO2/Fe3O4/BiOI复合纤维光催化性能最好，并且可以在外加磁场下进行吸附回收。

4. 静电纺丝法制备光电磁多功能纳米纤维

王等人采用共轭静电纺丝的实验装置成功地组装了光电磁多功能[Tb（BA）3phen/ PMMA]//[ PANI/Fe3O4/PMMA]光电磁三功能Janus纳米纤维阵列[6]。结果表明，多数纳米纤维具有Janus纳米结构。纳米纤维的直径均一，Janus纳米结构中单根纳米纤维的直径为700nm-850 nm。通过调整Janus纳米纤维阵列中稀土配合物、导电物质和磁性物质的组成和含量，能够实现对光、电、磁特性的可调性。当PANI与PMM的质量百分数为70%时，样品的导电方向的电导是绝缘方向电导的107倍。

总结

通过设计和制作不同的静电纺丝装置，静电纺丝技术可用于制备不同形貌的功能性纳米材料，所制备的纳米材料在电子信息、生物医学、光催化等领域具有巨大的应用前景。

参考文献：

[1]陈莹莹， 张溪文， 候建梅， 韩高荣. 静电纺丝法制备钇铁石榴石单晶纳米纤维. 微细加工技术， 2008， 1， 35-39.

[2]盖广清. 静电纺丝技术构筑一维功能纳米结构材料[D]. 长春理工大学， 2013.

[3]刘海洋. Janus型ZnFe2O4/ZnO异质结中空纳米纤维的可控制备及其可见光光催化性能研究[D]. 东北师范大學， 2019.

[4]张莲莲. 可磁分离的TiO2基光催化纳米纤维的制备研究[D]. 北京服装学院， 2012.

[5]王康， 杜慧玲， 崔雯娜， 常梦洁， 刘俊. 可磁分离TiO2/Fe3O4/BiOI复合纤维的制备及光催化性能[J]. 人工晶体学报， 2019， 48（02）： 268-273.

[6]王国义. 共轭电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米材料与特性研究[D]. 长春理工大学， 2019.

项目名称： 大学生创新创业训练计划项目，项目名称（项目编号：202010191128）

作者简介：杨程博，男，吉林建筑大学材料科学与工程学院本科生

吉林建筑大学材料科学与工程学院 吉林 长春 130118