靜電紡絲技術制備多功能納米纖維的研究進展

楊程博 于涵 林美娜 周澳 石廣森

1. 引言

近年來，科技飛速發展，納米結構材料以其獨特的特性受到了廣泛的應用。一維納米結構材料——納米纖維具有大的長徑比和比表面積，以及獨特的物理、化學特性，成為了納米科學的前沿和研究熱點。納米纖維常用的制備方法有：拉伸、模相分離、板聚合、自組織和靜電紡絲法等，靜電紡絲法是一種簡單易行，操作簡單的制備納米材料的方法，并且是目前唯一能夠直接、連續制備納米纖維的方法。

靜電紡絲技術是由Formhals提出的，在其申請的專利中闡述了，利用靜電力生產聚合物納米纖維的裝置，利用高壓靜電將紡絲溶液拉伸成為纖維。采用靜電紡絲法制備的納米纖維具有比表面積高、孔隙率大等優點，在過濾膜、光催化、組織工程支架、光電器件等方面具有極高的應用價值。早期靜電紡絲技術主要用于制備單一聚合物納米纖維，隨著對靜電紡絲技術各種實驗參數的不斷優化研究，靜電紡絲法已經被廣泛的用于制備多功能納米材料領域。

2. 靜電紡絲技術制備磁光雙功能納米纖維

陳[1]等人采用靜電紡絲法制備了釔鐵石榴石（YIG）納米纖維。以無水乙醇作為溶劑，PVP作為模板劑，Fe（C11H19O2）3和Y（OOC10H19）作為無機鹽，配制成紡絲溶液，在750℃下焙燒得到尺寸均勻的YIG納米纖維，直徑大約為100 nm。實驗中發現，隨著焙燒溫度的提高，纖維的直徑變細，長度變短，制備的樣品純度提高，沒有雜相出現。蓋[2]等人采用靜電紡絲技術將稀土配合物發光物質、Fe3O4磁性納米粒子和聚乙烯毗咯烷酮（PVP）復合，制備出熒光性能和磁學性能可調的柔性納米纖維。詳細研究了制備納米材料形貌、稀土配合物的種類、含量和磁性納米粒子的含量對磁光雙功能復合納米纖維性能的影響，討論了磁性物質對發光物質性能的影響。其中，Fe3O4/Eu（BA）3phen/PVP復合納米纖維和Fe3O4/Tb（BA）3phen/PVP復合納米纖維中，稀土配合物的最佳比例分別為15%和20%。

3. 靜電紡絲技術制備磁性-光催化納米纖維

劉[3]等人采用靜電紡絲技術制備了Janus型ZnFe2O4/ZnO異質結中空納米纖維。研究發現在可見光照射下Janus型ZnFe2O4/ZnO異質結中空納米纖維的光催化性能明顯優于ZnFe2O4中空納米纖維和ZnO中空納米纖維。主要是由于ZnFe2O4/ZnO異質結提高了電子-空穴的分離效率。Janus雙面結構促進了子和空穴向相反方向的遷移，使電子遷移至ZnO表面，而空穴遷移至ZnFe2O4表面，使得氧化反應和還原反應分別發生在雙面的兩側。同時，一維納米纖維大的長徑比為電子的快速傳輸提供了通道，進一步提高了電子和空穴的分離效率。實驗中發現，Janus型ZnFe2O4/ZnO異質結中空納米纖維的光催化性能也顯著優于ZnFe2O4/ZnO異質結復合納米纖維。張[4]等人對傳統靜電紡絲法進行改進，采用雙噴絲頭制備了La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復合光催化納米纖維材料。將樣品分別在550 ℃、600 ℃、650 ℃，恒溫2 h，得到了純相的La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復合光催化納米纖維。在紫外-可見光下照射 2.5 h，對亞甲基藍的降解率達到92%。La3+-TiO2/CoFe2O4磁性復合光催化納米纖維的磁學性能與純CoFe2O4納米纖維接近，說明此材料可進行磁性回收。王[5]等人采用靜電紡絲法與水熱法及連續離子吸附法相結合制備了可磁分離TiO2/Fe3O4/BiOI復合纖維。首先采用靜電紡絲法制備了TiO2納米纖維，然后將得到的納米纖維置于燒杯中，加入六水三氯化鐵、醋酸鈉和乙二醇（EG）混合、超聲，然后將混合液置于高壓反應釜中200 ℃下保溫 4 h，得到TiO2/Fe3O4復合纖維。最后，將得到的復合納米纖維與硝酸鉍和碘化鉀溶液混合，反應2 min，然后水洗，重復循環20、40、60次得到TiO2/Fe3O4/BiOI復合纖維。研究發現，當重復循環20次所制備的TiO2/Fe3O4/BiOI復合纖維光催化性能最好，并且可以在外加磁場下進行吸附回收。

4. 靜電紡絲法制備光電磁多功能納米纖維

王等人采用共軛靜電紡絲的實驗裝置成功地組裝了光電磁多功能[Tb（BA）3phen/ PMMA]//[ PANI/Fe3O4/PMMA]光電磁三功能Janus納米纖維陣列[6]。結果表明，多數納米纖維具有Janus納米結構。納米纖維的直徑均一，Janus納米結構中單根納米纖維的直徑為700nm-850 nm。通過調整Janus納米纖維陣列中稀土配合物、導電物質和磁性物質的組成和含量，能夠實現對光、電、磁特性的可調性。當PANI與PMM的質量百分數為70%時，樣品的導電方向的電導是絕緣方向電導的107倍。

總結

通過設計和制作不同的靜電紡絲裝置，靜電紡絲技術可用于制備不同形貌的功能性納米材料，所制備的納米材料在電子信息、生物醫學、光催化等領域具有巨大的應用前景。

參考文獻：

[1]陳瑩瑩， 張溪文， 候建梅， 韓高榮. 靜電紡絲法制備釔鐵石榴石單晶納米纖維. 微細加工技術， 2008， 1， 35-39.

[2]蓋廣清. 靜電紡絲技術構筑一維功能納米結構材料[D]. 長春理工大學， 2013.

[3]劉海洋. Janus型ZnFe2O4/ZnO異質結中空納米纖維的可控制備及其可見光光催化性能研究[D]. 東北師范大學， 2019.

[4]張蓮蓮. 可磁分離的TiO2基光催化納米纖維的制備研究[D]. 北京服裝學院， 2012.

[5]王康， 杜慧玲， 崔雯娜， 常夢潔， 劉俊. 可磁分離TiO2/Fe3O4/BiOI復合纖維的制備及光催化性能[J]. 人工晶體學報， 2019， 48（02）： 268-273.

[6]王國義. 共軛電紡技術構筑光電磁多功能一維納米材料與特性研究[D]. 長春理工大學， 2019.

項目名稱： 大學生創新創業訓練計劃項目，項目名稱（項目編號：202010191128）

作者簡介：楊程博，男，吉林建筑大學材料科學與工程學院本科生

吉林建筑大學材料科學與工程學院 吉林 長春 130118