王 航， 莊旭品， 董 鋒， 石 磊， 康衛(wèi)民，徐先林， 程博聞

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

納米纖維相比于常規(guī)纖維，具有高比表面積、超高長徑比等優(yōu)異性能[1]，在過濾、吸附、防護(hù)材料、催化劑以及復(fù)合材料等方面具有很好的應(yīng)用前景[2-3]。納米纖維的制備方法主要有離心紡絲法[4]、納米刻蝕技術(shù)[5]、自組裝技術(shù)[6]、溶液噴射紡絲[7]以及靜電紡絲[8]等方法。其中靜電紡絲技術(shù)是目前為研究者所熟知的可制備連續(xù)納米纖維的有效方法，其原理是通過高壓電場的作用對聚合物溶液或熔體進(jìn)行拉伸細(xì)化，從而得到納米級纖維。而溶液噴射紡絲技術(shù)作為近年來新興起的新型納米纖維制備技術(shù)，受到了國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。本文系統(tǒng)綜述了溶液噴射紡絲技術(shù)的基礎(chǔ)研究及其纖維應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，并對溶液噴射紡絲技術(shù)的未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望，以期為溶液噴射紡絲技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考依據(jù)。

1 溶液噴射紡絲機(jī)制及技術(shù)

溶液噴射紡絲技術(shù)最早是由Medeiros等[7]結(jié)合熔噴技術(shù)和干法紡絲技術(shù)特點(diǎn)而提出的納米纖維制備技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是利用高速氣流對溶液細(xì)流進(jìn)行超細(xì)拉伸，并伴隨著溶劑蒸發(fā)而固化為納米纖維，原理簡圖如圖1[9-10]所示。在Medeiros早期研究中，分別以氯仿、甲苯和四氫呋喃為溶劑，制備了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)和聚苯乙烯(PS)溶液噴射紡納米纖維，發(fā)現(xiàn)溶液噴射紡纖維直徑與靜電紡納米纖維相近，并研究了擠出速率、氣體壓力、聚合物濃度等參數(shù)對纖維結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。溶液噴射紡絲設(shè)備核心部件包括進(jìn)液裝置、紡絲模頭、高速牽伸氣流、纖維成形箱體和接收部分。紡絲過程中通過注射泵利用一定的壓力將紡絲溶液以穩(wěn)定的流動速度輸送到紡絲模頭，再經(jīng)由紡絲模頭的噴絲孔擠出。同時(shí)，高壓氣流在噴絲孔周圍形成穩(wěn)定環(huán)吹風(fēng)，帶動溶液細(xì)流快速拉伸、運(yùn)動形成均勻穩(wěn)定的溶液細(xì)流，在此過程中，溶液中的溶劑快速揮發(fā)，并在箱體復(fù)雜氣場作用下，相互糾纏、卷曲，最終在成網(wǎng)簾上形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、隨機(jī)排列的三維卷曲納米纖維氈。

圖1 溶液噴射紡絲過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of solution blowing process

溶液噴射紡絲技術(shù)與熔噴和靜電紡絲技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢。與熔噴成網(wǎng)技術(shù)相比：原料適用性廣，由于很多聚合物無法熔融或其熱分解溫度低于熔融溫度(如聚丙烯腈等)，從而無法利用熔噴技術(shù)紡制纖維；纖維直徑更細(xì)，聚合物溶液相比于熔融態(tài)的黏度更小，所以溶液噴射紡絲技術(shù)最終形成的纖維直徑更細(xì)；無需高溫加熱設(shè)備，因而工藝能耗低、裝置簡單。與靜電紡絲技術(shù)相比：溶液噴射紡絲技術(shù)生產(chǎn)效率高，其單針頭紡絲速度可達(dá)靜電紡絲速度的10倍[11-12]；無需高壓電場及相關(guān)配套保護(hù)裝置，生產(chǎn)操作靈活、簡單，更適合于工業(yè)化生產(chǎn)。最重要的是，與上述2種制備技術(shù)相比，溶液噴射紡絲技術(shù)可直接將纖維沉積到任何材料的表面，如常規(guī)的多孔成網(wǎng)簾、實(shí)驗(yàn)桌臺面等，甚至在生物組織表面[13-14]，因此，利用該方法還可實(shí)現(xiàn)廉價(jià)和可移動的手持簡易紡絲設(shè)備，從而大大促進(jìn)紡絲設(shè)備的小型化、簡易化進(jìn)程[12]。

隨著溶液噴射紡絲技術(shù)的日臻發(fā)展，其紡絲機(jī)制及技術(shù)改進(jìn)研究也逐漸完善。Han等[15]采用正交設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對噴嘴形貌及氣流場特性進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)噴絲針頭直徑越細(xì)，環(huán)吹風(fēng)噴嘴直徑越大，纖維就越容易細(xì)化，而針頭的伸出長度對纖維直徑并沒有太大影響。這個(gè)理論的發(fā)現(xiàn)為溶液噴射紡納米纖維的可控制備提供了重要參考。石磊[16]發(fā)現(xiàn)溶液從噴絲孔射出時(shí)，先是在高速氣流作用下沿直線運(yùn)動且保持一股射流狀態(tài)，在氣流拉伸和溶液射流黏彈力的綜合作用下發(fā)生彎曲，并發(fā)生近似螺旋運(yùn)動的鞭打擾動，然后進(jìn)一步細(xì)化，直到某個(gè)固化位置時(shí)纖維發(fā)生彎曲斷裂，進(jìn)而沉積在接收網(wǎng)上形成非織造纖維網(wǎng)。Sumit等[17]通過建立數(shù)據(jù)模型也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象：射流剛出針頭時(shí)，其橫截面直徑仍然很大，足以抵御由風(fēng)場引起的顯著彎曲擾動，主要通過周圍高速氣流的軸向拉伸逐漸細(xì)化。

唐定友[18]通過高速攝影技術(shù)發(fā)現(xiàn)，純?nèi)軇┰诟咚贇饬髯饔孟律淞鞒尸F(xiàn)出完全分散狀態(tài)。低濃度聚合物溶液由于高分子鏈無法形成有效纏結(jié)作用，射流受到風(fēng)速剪切作用后因不穩(wěn)定會形成發(fā)散狀態(tài)；而隨著聚合物濃度進(jìn)一步提高，達(dá)到某一臨界黏度后溶液細(xì)流便形成穩(wěn)定射流，并會同樣伴隨出現(xiàn)直射細(xì)流，且得到的纖維形貌良好。這里提到的溶液紡絲臨界黏度也可稱為交疊濃度(overlap concentration)，即溶液中聚合物鏈能否纏結(jié)的臨界點(diǎn)，是聚合物溶液的射流能夠形成纖維的首要條件。聚合物的交疊濃度c*可通過下式[19-20]得到：

c*=63/2Mw/[8NA(R2)3/2]

式中：Mw為聚合物重均分子量；NA為阿優(yōu)伽德羅常數(shù)；R2為末端距的均方近似值；α為膨脹因子；δ∞為特征比值；M0為結(jié)構(gòu)單元分子量；l為聚合物鏈鍵長。

然而，Srinivasan等[21]發(fā)現(xiàn)對于某些超高分子量聚合物，在低于其交疊濃度的情況下仍可通過溶液噴射紡絲技術(shù)得到所需要的纖維。

溶液噴射紡絲效率高，但早期研究中其主要依靠高壓氣流的牽伸使射流細(xì)化并成纖。由于缺少溫度控制箱體，紡絲過程中，針對某些特殊聚合物，紡絲溫度過低或溶液濃度不合適而導(dǎo)致溶劑不能及時(shí)揮發(fā)，從而導(dǎo)致紡絲狀態(tài)不穩(wěn)定，制備的纖維呈現(xiàn)黏連狀態(tài)或是聚合物液滴殘留量大；因此，在技術(shù)改進(jìn)方面，Zhuang等[9]在噴絲頭到接收板的區(qū)域安裝了溫度控制箱體，進(jìn)而探究了射流拉伸時(shí)箱體溫度對纖維形貌的影響。當(dāng)箱體溫度為35 ℃時(shí)，纖維發(fā)生嚴(yán)重黏連，而當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，紡絲效果穩(wěn)定，纖維成形效果良好且表面相對平滑。此外，同軸靜電紡絲是制備核/殼納米纖維最簡單常見的方法，Zhuang等[22]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于溶液噴射紡絲技術(shù)的同軸紡絲噴頭(如圖2(a)所示)，并利用這種方法制備了5-氨基水楊酸/丙烯酸樹脂(ES100)皮芯納米纖維。而Benavides等[23]變換了牽伸氣流與溶液射流的輸出角度，開發(fā)了垂直式溶液噴射紡絲工藝。在接收裝置方面，Liang等[24]利用彎曲棍子組裝成一個(gè)圓形接收器作為接收裝置。研究發(fā)現(xiàn)，接收裝置形狀的改變對纖維的三維結(jié)構(gòu)、孔隙率和直徑都有明顯的影響。

在溶液噴射紡絲技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面，天津工業(yè)大學(xué)自2010年以來做了大量工作，取得溶液噴射紡絲技術(shù)的發(fā)明專利[25]，并為適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求設(shè)計(jì)了多針頭溶液噴射紡絲模頭[26]以及溶液噴射紡絲實(shí)驗(yàn)室紡絲設(shè)備，如圖2所示。

圖2 溶液噴射紡絲模頭及紡絲設(shè)備Fig.2 Solution blowing spinning die and equipment. (a) Spinning state of multi-needle solution blowing die; (b) Solution blowing equipment for use in laboratory

2 溶液噴射紡纖維形貌與結(jié)構(gòu)調(diào)控

相比于靜電紡納米纖維，溶液噴射納米纖維網(wǎng)最顯著的特點(diǎn)是三維卷曲，二者對比如圖3所示。此外，其制備的材料具有結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙率高(可達(dá)95%以上)等特點(diǎn)。同時(shí)，溶液噴射紡納米纖維直徑相比于靜電紡纖維分布范圍更廣，小至幾十納米，大則可達(dá)幾微米。納米纖維的可控制備是紡絲技術(shù)是否成熟的一個(gè)重要標(biāo)志，而溶液噴射紡納米纖維的微觀形貌、結(jié)構(gòu)等主要可以通過溶液聚合物的分子量、濃度、黏度以及過程變量(如氣體壓力、聚合物溶液流量)等參數(shù)進(jìn)行控制。

圖3 溶液噴射紡與靜電紡絲PVDF納米纖維對比圖Fig.3 Comparison of solution blown and electrospun PVDF nanofiber. (a) Solution blown nanofiber; (b) Electrospun nanofiber

在纖維的可控制備方面，李超等[27]利用溶液噴射紡絲技術(shù)制備了間位芳綸納米纖維，并探討了溶液濃度、氣壓、擠出速率和接收距離等參數(shù)對纖維形貌結(jié)構(gòu)和直徑的影響。同時(shí)，為了得到類似于靜電紡纖維的高取向結(jié)構(gòu)，還探索了利用高速滾筒制備溶液噴射紡取向纖維的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著接收滾筒轉(zhuǎn)速的增加，纖維膜取向度和力學(xué)性能均有一定程度的提高。婁輝清等[28]通過數(shù)值模擬分析變壓力條件下環(huán)形噴嘴下方的氣流場分布情況，研究了紡絲過程中氣流場分布和聚合物溶液射流運(yùn)動對纖維形貌的影響。結(jié)果表明：隨氣流壓力增加，平均纖維直徑明顯降低且分布均勻；然而，當(dāng)氣流壓力過大后，纖維平均直徑的降低幅度變小且不均勻程度增加，并出現(xiàn)纖維纏結(jié)現(xiàn)象。

Tutak等[12]發(fā)現(xiàn)，在溶液噴射紡絲過程中，纖維會發(fā)生纏結(jié)形成纖維束，而這個(gè)成形過程明顯區(qū)別于靜電紡絲技術(shù)。 Bolbasov等[29]制備的聚偏氟乙烯四氟乙烯-共聚物(VDF-TeFE)納米纖維進(jìn)一步驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高溶液噴射紡納米纖維氈在孔隙率方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢，Medeiros等[30]采用直接將纖維紡入以液氮為成形介質(zhì)的方法，得到了極高孔隙率納米纖維網(wǎng)，這種成纖方式嚴(yán)格區(qū)別于常規(guī)的溶劑揮發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)了纖維中的多孔結(jié)構(gòu)。Sinha等[31]制備了大豆蛋白/錦綸6皮芯納米纖維，并發(fā)現(xiàn)，利用甲酸-大豆蛋白溶液作為皮層紡絲液，伴隨甲酸的揮發(fā)，皮層納米纖維可形成了多孔結(jié)構(gòu)。除此之外，Ju等[32]利用溶液噴射紡絲技術(shù)構(gòu)建了類蜂窩狀多孔碳納米纖維，Gonzalez等[33]實(shí)現(xiàn)了介孔二氧化硅(TiO2)納米纖維的制備。

天津工業(yè)大學(xué)在溶液噴射紡納米纖維的結(jié)構(gòu)及其特性研究方面也做了大量工作，制備了聚乙烯醇(PVA)[34]、聚丙烯腈[35-36]、碳化硅[37]、纖維素、殼聚糖[38-39]、聚醚砜[40]、聚醚醚酮[41]、聚乙烯酰亞胺[42]等聚合物納米纖維，并在靜電輔助對溶液噴射紡絲工藝的影響方面開展了一定的研究工作[43]。Zhuang等[9]以纖維素為紡絲研究對象，通過提高牽伸氣流溫度加速纖維素溶液中溶劑的揮發(fā)，探索出制備纖維素纖維的工藝路線，然而所制備的纖維直徑比較粗(260～1 900 nm)，且其直徑分布較分散。為探索制備直徑較小的纖維素纖維的工藝方法，利用同軸溶液噴射紡絲技術(shù)制備出具有皮芯結(jié)構(gòu)的纖維素/聚氧化乙烯(PEO)納米纖維，通過去除PEO，得到的纖維素纖維直徑可控制在160～960 nm之間，同時(shí)討論了溫度、氣壓對芯層纖維直徑的影響。在后期的利用溶液噴射紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈(PAN)納米纖維的研究[34]中，系統(tǒng)性地研究了溶液濃度、氣流壓力和溶液輸入速度對纖維形態(tài)的影響，并對相似條件下溶液噴射紡絲納米纖維網(wǎng)與靜電紡絲納米纖維網(wǎng)的孔徑進(jìn)行了對比表征，結(jié)果顯示，溶液噴射紡絲納米纖維網(wǎng)的孔徑介于靜電紡絲及熔噴纖維網(wǎng)之間，證明了溶液噴射紡納米纖維網(wǎng)具有高過濾效率、低過濾阻力的優(yōu)勢，在過濾領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；陟o電紡絲理論，Tang等[43]將感應(yīng)電場引入溶液噴射紡絲系統(tǒng)，提出了感應(yīng)靜電輔助溶液噴射紡絲技術(shù)。結(jié)果表明，輔助靜電能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)控納米纖維直徑與卷曲度，并一定程度上提高纖維的結(jié)晶性能，納米纖維膜具有高孔隙率和高強(qiáng)力的特點(diǎn)。

3 溶液噴射紡納米纖維的應(yīng)用

溶液噴射紡絲納米纖維具有很高的孔隙率、比表面積以及良好的透氣性，通過相關(guān)參數(shù)的控制，可實(shí)現(xiàn)納米纖維形貌、孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控。最重要的是溶液噴射紡絲技術(shù)提供了一種簡易控制的批量化納米纖維制備方法，因此，溶液噴射紡納米纖維憑借其結(jié)構(gòu)及制備方面的優(yōu)勢可在創(chuàng)口敷料、細(xì)胞載體骨架、過濾材料、電池材料、生化防護(hù)材料、親和吸附材料、傳感器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

3.1 生物醫(yī)用材料

高孔隙率的納米纖維應(yīng)用于生物醫(yī)用材料中，可促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和浸潤，因此，是醫(yī)用敷料和細(xì)胞載體的理想材料。此外，溶液噴射紡絲技術(shù)可將纖維直接沉積在目標(biāo)材料的表面，甚至生物組織表面，因此，利用溶液噴射紡絲技術(shù)的這種特性，選擇低毒和具有生物相容性的聚合物和溶劑材料，可制備快速、高效醫(yī)用創(chuàng)口材料。Hoffman等[44]分別對比了靜電紡以及溶液噴射紡納米載體材料對骨髓基質(zhì)細(xì)胞的培養(yǎng)效果，結(jié)果表明，在溶液噴射紡絲載體材料的細(xì)胞培養(yǎng)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜電紡載體材料。而在另一項(xiàng)研究中，Bolbasov等[29]利用VDF-TeFE溶液噴射紡納米纖維培養(yǎng)出了數(shù)量更多的細(xì)胞。Tomecka等[45]制備了聚左旋乳酸(PLLA)和聚氨酯(PU)納米纖維基體用于培養(yǎng)心肌細(xì)胞，與傳統(tǒng)的PS培養(yǎng)基進(jìn)行對比，結(jié)果表明，由溶液噴射紡絲技術(shù)制備的細(xì)胞培養(yǎng)基體培養(yǎng)的心肌細(xì)胞對心臟藥物的敏感性更高。Paschoalin等[46]制備了PLA/聚乙二醇(PEG)溶液噴射紡納米纖維用于細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞會受纖維引導(dǎo)而增殖并在纖維界面上表現(xiàn)出高度動態(tài)行為。Xu等[38]制備了殼聚糖/PLA/PEG納米纖維，并采用戊二醛蒸汽對其進(jìn)行交聯(lián)，所制備的材料領(lǐng)域具有良好的透氣性，并可吸收傷口滲出液而凝膠化，有效保持傷口濕潤的愈合環(huán)境，是一種理想的生物醫(yī)用敷料。Bonan等[47]借助苦配巴油制備了具有優(yōu)異細(xì)菌阻隔功能的溶液噴射紡PLA/乙烯基吡咯烷酮(PVP)傷口敷料。Liu等[48]則以乙二醇縮水甘油醚作為紡絲交聯(lián)劑，制備了殼聚糖/聚乙烯醇(PVA)水凝膠溶納米纖維氈，該納米纖維氈具有水凝膠特性，對大腸桿菌的抑菌率可達(dá)81%。

3.2 過濾材料

溶液噴射紡納米纖維氈具有獨(dú)特的三維卷曲結(jié)構(gòu)、高孔隙率及微孔孔隙，同時(shí)其內(nèi)部空間有高相互關(guān)聯(lián)性，因此，作為過濾材料具有高通量、低阻力的優(yōu)勢。Shi等[49]將錦綸6三維卷曲納米纖維應(yīng)用于過濾材料中，其過濾效率可達(dá)93.5%，壓降可低至30.35 Pa，證明溶液噴射紡納米纖維在高效低阻過濾材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Lee等[50]利用溶液噴射紡絲技術(shù)成功制備了具有二維凈化膜結(jié)構(gòu)的錦綸6與石墨烯復(fù)合納米纖維，并將其應(yīng)用在水過濾材料中，在膜面積為5 cm2時(shí)其凈水速率可達(dá)到0.3～4 L/h。Sumit等[51]發(fā)現(xiàn)，將直徑為20～50 nm的溶液噴射紡絲納米纖維沉積在商業(yè)化靜電紡纖維過濾膜表面，可明顯優(yōu)化材料的過濾性能，在粒徑為200 nm的銅顆粒懸浮液中，該過濾膜仍可保持高效的過濾效率。李超等[52]制備了直徑范圍為146～532 nm的聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)納米纖維膜，探討了面密度對纖維膜孔徑結(jié)構(gòu)、透氣性、水通量及過濾效率的影響，并通過過濾機(jī)制探索發(fā)現(xiàn)，雖然纖維膜的孔徑比微球直徑大，但依然對其有很好的過濾作用，大部分微球均被攔截于纖維膜表層，膜污染程度很小。

3.3 電極材料

碳材料以比表面積大、可塑性高、可直接用作電極等優(yōu)勢，在電極材料應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注[53]。利用納米纖維制備技術(shù)制備前驅(qū)體，經(jīng)過燒結(jié)工藝得到連續(xù)的碳納米纖維，這種方法操作簡單，制備效率高，已成為國內(nèi)外研究者制備碳納米纖維的最主要方法[54]。溶液噴射紡納米纖維憑借其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在電極材料領(lǐng)域也逐漸得到研究者的重視。賈開飛等[10]設(shè)計(jì)了一種取向接收裝置，采用一對平行輥?zhàn)鳛榻邮昭b置，制備了PAN溶液噴射紡納米紗線，經(jīng)炭化處理得到有序排列的碳納米紗線材料。電學(xué)性能測試結(jié)果顯示：PAN基溶液噴射紡絲碳納米纖維電導(dǎo)率可達(dá)到608.7 S/cm；電流密度為500 mA/g時(shí)，質(zhì)量比電容可達(dá)到70 F/g。史少俊等[55]利用醋酸鋅和聚丙烯腈作為前驅(qū)體材料制備了包覆ZnO納米晶粒的碳納米纖維，并將其應(yīng)用于電極材料中，測試結(jié)果顯示其在高電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。趙義俠等[56]利用溶液噴射紡絲技術(shù)制備了碳化硅(SiC)納米纖維，并將其應(yīng)用于超級電容器材料中，測試結(jié)果顯示其表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，表明溶液噴射紡絲技術(shù)在超級電容器電極材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 吸附材料

溶液噴射紡納米纖維膜內(nèi)部具有極高孔隙率和大的比表面積，相比于傳統(tǒng)的吸附、親和膜，更有利于膜材料與目標(biāo)分子或離子發(fā)生作用，因而溶液噴射紡絲技術(shù)在吸附材料中有廣泛應(yīng)用[39, 42]。Kolbasov等[57]通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備了多種含有生物大分子(如海藻酸鈉、大豆蛋白、木質(zhì)素、燕麥粉、殼聚糖等)的納米纖維膜，這些生物高聚物膜在重金屬水溶液吸附方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。Wang等[58]以溶液噴射紡聚酰亞胺為基體纖維材料，通過原位聚合法在纖維表面引入經(jīng)十二烷基苯磺酸接枝改性的聚苯胺，從而制備得到新型重金屬吸附膜。測試結(jié)果顯示，每10 mg的微孔吸附膜可在300 min內(nèi)完成25 mL Cr(VI)溶液(5 mg/L)的吸附清除。Tong等[39]基于同軸溶液噴射紡絲技術(shù)，制備了以聚酰胺6(PA6)為芯層，殼聚糖和PVA為皮層的皮芯復(fù)合納米纖維，將汽巴藍(lán)接枝固載于纖維表面，賦予其良好的蛋白吸附能力。結(jié)果顯示，親和膜擁有水凝膠和納米纖維的共同優(yōu)勢，表現(xiàn)出良好的吸附能力，該膜對牛血清的蛋白(BSA)的吸附量可達(dá)379.43 mg/g。在另一項(xiàng)研究中，Tao等[59]通過KOH處理得到活化碳納米纖維，其比表面積及孔容分別可達(dá)到2 921.263 m2/g 和2.714 cm3/g，應(yīng)用于苯酚吸附可達(dá)到251.6 mg/g。Mercante等[60]制備了氧化石墨烯包覆的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)多孔納米纖維，并將其應(yīng)用于亞甲基藍(lán)的吸附中，最大吸附量可達(dá)到698.51 mg/g。

3.5 其他應(yīng)用材料

質(zhì)子交換膜作為燃料電池的核心部件，起著隔離兩極反應(yīng)氣體，且作為氫離子通道達(dá)到傳導(dǎo)質(zhì)子的作用，其性能的優(yōu)劣直接決定著燃料電池的性能[61-62]。早期應(yīng)用于質(zhì)子交換膜中的增強(qiáng)納米纖維多是通過靜電紡絲方法[63-64]制備，然而靜電紡絲纖維的天然特性使纖維結(jié)合緊密形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致浸漬效果較差而引起復(fù)合膜缺陷[65]。針對這個(gè)問題，溶液噴射紡絲技術(shù)憑借其制備納米纖維的高效性及孔隙結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，在致密復(fù)合膜材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在溶液噴射紡納米纖維應(yīng)用質(zhì)子交換膜的早期工作中，相關(guān)科研工作者將具有質(zhì)子傳導(dǎo)能力的磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜/聚醚砜及磺化聚醚醚酮/多面體低聚倍半硅氧烷溶液噴射紡納米纖維成功利用浸漬方法引入全氟磺酸樹脂(Nafion)材料中，討論其對質(zhì)子交換膜電化學(xué)性能的作用[40-41, 66]，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過納米纖維改性后的復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性及質(zhì)子傳導(dǎo)率均有一定程度改善，證明其在質(zhì)子交換膜中應(yīng)用的可能性。Zhuang等[67]將溶液噴射紡納米碳纖維網(wǎng)(CNFs)與 磺化聚醚醚酮(SPEEK)復(fù)合，復(fù)合膜的截面觀察表明 CNFs 在復(fù)合膜的厚度方向上廣泛分布，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%時(shí)，質(zhì)子導(dǎo)電率提高了41.6%(80 ℃，相對濕度為100%)，這歸結(jié)于 CNFs 的三維空間分布及其與SPEEK的相互作用，使—SO3H沿二者界面富集分布建立了跨膜連續(xù)傳輸通道。Wang等[65]創(chuàng)新性地將復(fù)合材料制備技術(shù)中的熱壓工藝引入質(zhì)子交換膜制備中，利用聚偏氟乙烯(PVDF)與磺化聚醚砜(SPES)溶液噴射紡納米纖維的高孔隙率結(jié)構(gòu)，制備了具有跨膜傳輸通道的SPES/PVDF復(fù)合質(zhì)子交換膜，該復(fù)合膜具有優(yōu)異的阻隔燃料特性，其甲醇滲透系數(shù)達(dá)到了商業(yè)化Naifon膜的1/500。進(jìn)一步地，其借助生物細(xì)胞膜質(zhì)子傳遞的啟發(fā)，在PVDF納米纖維表面引入氧化半胱氨酸，制備的復(fù)合質(zhì)子交換膜的電化學(xué)應(yīng)用性能可達(dá)到Nafion材料的2倍[68]。

高溫超導(dǎo)材料是一種在電力及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中具有重大戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)[69]。Cena等[70]提出了利用溶液噴射紡絲技術(shù)制備Bi2Sr2Ca1Cu2Ox(BSCCO)超導(dǎo)纖維的可行性技術(shù)路線，其通過合成BSCCO前驅(qū)體溶液，并將其以不同比例混入聚PVP配制成可紡液，利用溶液噴射紡絲技術(shù)制備得到BSCCO/PVP納米纖維。最終的電性能測試結(jié)果顯示，制備的超導(dǎo)材料在臨界溫度表現(xiàn)出明顯的阻抗衰減，證明了溶液噴射紡絲新型納米纖維制備技術(shù)可成為制備高溫超導(dǎo)材料的新方法。

4 結(jié)束語

作為一種新型而高效的納米纖維制備技術(shù)，溶液噴射紡絲技術(shù)在近年來取得了快速發(fā)展?；诰酆衔锶芤簼舛取可祜L(fēng)速和纖維直徑的基本關(guān)系方面，國內(nèi)外科研工作者做了許多探索研究工作，不斷致力于對設(shè)備紡絲工藝的改善及產(chǎn)品的應(yīng)用性研究。但相比于已經(jīng)相對成熟的靜電紡絲技術(shù)，溶液噴射紡絲技術(shù)還存在許多缺陷與不足，尤其是在基礎(chǔ)理論研究及材料應(yīng)用研究方面，尚需不斷完善和發(fā)展。然而從另一方面來講，溶液噴射紡絲技術(shù)簡易的操作方法和較低的設(shè)備配置為研究者不斷開發(fā)納米纖維的新型應(yīng)用研究工作提供了便利。在纖維結(jié)構(gòu)方面，溶液噴射紡納米纖維具有明顯區(qū)別于靜電紡納米纖維的獨(dú)特纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)(如三維卷曲、孔隙率高等)，并憑借其結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，在醫(yī)用、過濾、電極、吸附及電池隔膜材料方面得到了廣泛應(yīng)用。溶液噴射紡絲技術(shù)可轉(zhuǎn)化為手持簡易紡絲設(shè)備，再加上其納米纖維的易附著、沉積的特性，如能在相關(guān)技術(shù)上得到突破，相信其在未來的手持式快速傷口敷料材料的應(yīng)用上必將前景廣闊。溶液噴射紡絲技術(shù)的紡絲效率可達(dá)靜電紡技術(shù)的10倍甚至更多，同時(shí)不需要高壓電場，能源消耗低，設(shè)備配置簡單，在納米纖維的批量化商業(yè)生產(chǎn)上，該技術(shù)提供了一種嶄新并具有前景的技術(shù)路線。

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