中國(guó)粉體網(wǎng)10月31日訊 納米纖維是指直徑小于100nm而長(zhǎng)度較長(zhǎng)的線狀材料，實(shí)際中通常把直徑小于1000nm的材料也稱為納米纖維，其比表面積將比微米級(jí)纖維高上100倍。研發(fā)改性功能納米纖維及其膜制品將對(duì)快速、高效、環(huán)境友好的非織造產(chǎn)品帶來新思考。
熔融擠出相分離法克服傳統(tǒng)靜電紡難題
制備納米纖維的常見方法有熔噴法、海島紡絲法和靜電紡絲法等。熔噴法主要適用于高熔融指數(shù)的聚丙烯材料，海島技術(shù)僅能夠制備直徑在700nm以上的PET和PA66纖維，納米纖維的生產(chǎn)主要依賴靜電紡絲法，但是，靜電紡絲目前仍存在生產(chǎn)效率低、加工成本高等問題。此外，靜電紡絲需要使用一些有機(jī)溶劑，帶來環(huán)境友好方面的問題，同時(shí)增加回收設(shè)備成本。
基于此，研究組在美國(guó)期間同導(dǎo)師孫剛教授開發(fā)了一種新型高產(chǎn)出環(huán)境友好型熱塑性納米纖維的制造工藝，即熔融擠出相分離法，并以此生產(chǎn)出了聚酯、聚烯烴、聚酰胺、聚烯烴共聚物和熱塑性聚氨酯等納米纖維，其纖維直徑可控制在80nm～500nm范圍。此方法成功攻克了采用傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)難以制備熱塑性聚合物納米纖維材料及采用熔噴法、熔融靜電紡絲法又無法制備直徑小于700nm纖維的系列技術(shù)難題。
系列軸向纖維集合體兼容性良好
熔融擠出相分離法制備基本原理為，將兩種熱力學(xué)互不相容的聚合物在雙螺桿熔融擠出機(jī)中充分熔融共混、擠出，共混的聚合物熔體在擠出機(jī)和噴絲頭內(nèi)受到剪切和拉伸復(fù)合力場(chǎng)的作用而伸長(zhǎng)變形，形成納米纖維束。最后，去除基質(zhì)聚合物，獲得所需種類的熱塑性納米纖維。
在此次熱塑性納米纖維的制備工藝中，我們采用纖維素酯作為聚合物基質(zhì)。采用纖維素酯的最大優(yōu)勢(shì)在于，它與大多數(shù)熱塑性聚合物不相容，而且在后續(xù)的工藝中很容易通過丙酮將其從混合相中快速去除，去除的纖維素酯可以被循環(huán)回收利用。
目前，利用纖維素酯和多種熱塑性聚合物的不相容體系，研究組已成功且高效率地制備出幾種熱塑性納米纖維，包括聚酯，聚烯烴和幾種功能性共聚物等。
利用這種方法制備的熱塑性納米纖維為一系列軸向排列的納米纖維集合體，具有聚合物結(jié)構(gòu)可調(diào)控性及與現(xiàn)有纖維生產(chǎn)設(shè)備兼容性高等特點(diǎn)。此外，通過將納米纖維涂覆在不同的基體表面，成功制備得到不同非織造布基體結(jié)構(gòu)的納米纖維膜。
多種高端應(yīng)用領(lǐng)域仍待開發(fā)
通過對(duì)表面含有官能團(tuán)的熱塑性聚合物納米纖維進(jìn)行功能化改性，可以實(shí)現(xiàn)其在多種領(lǐng)域的應(yīng)用。研究組目前通過對(duì)納米纖維進(jìn)行改性，已在生物傳感器、過濾分離、抗菌和防污等領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面取得進(jìn)展。
生物傳感器。生物傳感器（Biosensor)是對(duì)生物活性分子敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。采用熔融擠出相分離法成功制備了聚乙烯共聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PE-co-GMA)納米纖維。由于PE-co-GMA是一種具備活性環(huán)氧基團(tuán)的熱塑性材料，而這種活性環(huán)氧基團(tuán)則可以通過開環(huán)反應(yīng)與蛋白質(zhì)、酶等生物活性大分子中的氨基酸相連接，因此利用該納米纖維制備生物傳感器具有較大的潛力。
過濾分離領(lǐng)域。由于納米纖維獨(dú)特的大比表面積、良好的生物相容性以及低流阻性等特性，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于納米纖維在改善過濾膜效率中的應(yīng)用研究。研究組以TiO2懸浮液截留率為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)制備的納米纖維膜的過濾能力高達(dá)99.6%。此外，研究表明，納米纖維膜應(yīng)用于過濾分離領(lǐng)域?qū)⒕哂忻黠@優(yōu)勢(shì)。
此外，研究組通過熔融擠出相分離法制備親水性的PVA-co-PE納米纖維，并利用三聚氯氰對(duì)其表面進(jìn)行活化，隨后通過親核取代反應(yīng)將IDA接枝至納米纖維表面，成功制備出表面固化IDA的親水性 PVA-co-PE納米纖維，并采用涂覆的方法將該納米纖維制備成了納米纖維膜。
抗菌領(lǐng)域。具有高比表面積的納米纖維與傳統(tǒng)微米級(jí)的相比，在抗菌纖維領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力。研究組通過表面原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)方法制備了表面含有兩性磺胺離子的PVA-co-PE納米纖維膜，探索這種新型抗污納米纖維膜的抗菌性能。研究發(fā)現(xiàn)，表面兩性磺胺離子的納米纖維膜菌落數(shù)比純納米纖維的少很多。通過計(jì)算，其抗菌率達(dá)到99.46%。因而，表面接枝兩性磺胺離子的納米纖維膜還具有優(yōu)良的抗菌性能。
此外，聚合物納米纖維材料在軍用、生物工程、工業(yè)防護(hù)服、酶催化、鋰電池隔膜、化妝品、空氣和水過濾等方面，有更廣闊的應(yīng)用潛力尚待開發(fā)。而在未來的探究中還應(yīng)注意考慮技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性、回收利用的可循環(huán)性，以及產(chǎn)品的安全認(rèn)證等問題。
熔融擠出相分離法克服傳統(tǒng)靜電紡難題
制備納米纖維的常見方法有熔噴法、海島紡絲法和靜電紡絲法等。熔噴法主要適用于高熔融指數(shù)的聚丙烯材料，海島技術(shù)僅能夠制備直徑在700nm以上的PET和PA66纖維，納米纖維的生產(chǎn)主要依賴靜電紡絲法，但是，靜電紡絲目前仍存在生產(chǎn)效率低、加工成本高等問題。此外，靜電紡絲需要使用一些有機(jī)溶劑，帶來環(huán)境友好方面的問題，同時(shí)增加回收設(shè)備成本。
基于此，研究組在美國(guó)期間同導(dǎo)師孫剛教授開發(fā)了一種新型高產(chǎn)出環(huán)境友好型熱塑性納米纖維的制造工藝，即熔融擠出相分離法，并以此生產(chǎn)出了聚酯、聚烯烴、聚酰胺、聚烯烴共聚物和熱塑性聚氨酯等納米纖維，其纖維直徑可控制在80nm～500nm范圍。此方法成功攻克了采用傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)難以制備熱塑性聚合物納米纖維材料及采用熔噴法、熔融靜電紡絲法又無法制備直徑小于700nm纖維的系列技術(shù)難題。
系列軸向纖維集合體兼容性良好
熔融擠出相分離法制備基本原理為，將兩種熱力學(xué)互不相容的聚合物在雙螺桿熔融擠出機(jī)中充分熔融共混、擠出，共混的聚合物熔體在擠出機(jī)和噴絲頭內(nèi)受到剪切和拉伸復(fù)合力場(chǎng)的作用而伸長(zhǎng)變形，形成納米纖維束。最后，去除基質(zhì)聚合物，獲得所需種類的熱塑性納米纖維。
在此次熱塑性納米纖維的制備工藝中，我們采用纖維素酯作為聚合物基質(zhì)。采用纖維素酯的最大優(yōu)勢(shì)在于，它與大多數(shù)熱塑性聚合物不相容，而且在后續(xù)的工藝中很容易通過丙酮將其從混合相中快速去除，去除的纖維素酯可以被循環(huán)回收利用。
目前，利用纖維素酯和多種熱塑性聚合物的不相容體系，研究組已成功且高效率地制備出幾種熱塑性納米纖維，包括聚酯，聚烯烴和幾種功能性共聚物等。
利用這種方法制備的熱塑性納米纖維為一系列軸向排列的納米纖維集合體，具有聚合物結(jié)構(gòu)可調(diào)控性及與現(xiàn)有纖維生產(chǎn)設(shè)備兼容性高等特點(diǎn)。此外，通過將納米纖維涂覆在不同的基體表面，成功制備得到不同非織造布基體結(jié)構(gòu)的納米纖維膜。
多種高端應(yīng)用領(lǐng)域仍待開發(fā)
通過對(duì)表面含有官能團(tuán)的熱塑性聚合物納米纖維進(jìn)行功能化改性，可以實(shí)現(xiàn)其在多種領(lǐng)域的應(yīng)用。研究組目前通過對(duì)納米纖維進(jìn)行改性，已在生物傳感器、過濾分離、抗菌和防污等領(lǐng)域的應(yīng)用研究方面取得進(jìn)展。
生物傳感器。生物傳感器（Biosensor)是對(duì)生物活性分子敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。采用熔融擠出相分離法成功制備了聚乙烯共聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PE-co-GMA)納米纖維。由于PE-co-GMA是一種具備活性環(huán)氧基團(tuán)的熱塑性材料，而這種活性環(huán)氧基團(tuán)則可以通過開環(huán)反應(yīng)與蛋白質(zhì)、酶等生物活性大分子中的氨基酸相連接，因此利用該納米纖維制備生物傳感器具有較大的潛力。
過濾分離領(lǐng)域。由于納米纖維獨(dú)特的大比表面積、良好的生物相容性以及低流阻性等特性，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于納米纖維在改善過濾膜效率中的應(yīng)用研究。研究組以TiO2懸浮液截留率為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)制備的納米纖維膜的過濾能力高達(dá)99.6%。此外，研究表明，納米纖維膜應(yīng)用于過濾分離領(lǐng)域?qū)⒕哂忻黠@優(yōu)勢(shì)。
此外，研究組通過熔融擠出相分離法制備親水性的PVA-co-PE納米纖維，并利用三聚氯氰對(duì)其表面進(jìn)行活化，隨后通過親核取代反應(yīng)將IDA接枝至納米纖維表面，成功制備出表面固化IDA的親水性 PVA-co-PE納米纖維，并采用涂覆的方法將該納米纖維制備成了納米纖維膜。
抗菌領(lǐng)域。具有高比表面積的納米纖維與傳統(tǒng)微米級(jí)的相比，在抗菌纖維領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力。研究組通過表面原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)方法制備了表面含有兩性磺胺離子的PVA-co-PE納米纖維膜，探索這種新型抗污納米纖維膜的抗菌性能。研究發(fā)現(xiàn)，表面兩性磺胺離子的納米纖維膜菌落數(shù)比純納米纖維的少很多。通過計(jì)算，其抗菌率達(dá)到99.46%。因而，表面接枝兩性磺胺離子的納米纖維膜還具有優(yōu)良的抗菌性能。
此外，聚合物納米纖維材料在軍用、生物工程、工業(yè)防護(hù)服、酶催化、鋰電池隔膜、化妝品、空氣和水過濾等方面，有更廣闊的應(yīng)用潛力尚待開發(fā)。而在未來的探究中還應(yīng)注意考慮技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性、回收利用的可循環(huán)性，以及產(chǎn)品的安全認(rèn)證等問題。
