【纺织百科】纳米纤维

纳米作为材料的尺度，其符号为nm，1nm约为10个原子的尺度。纳米科学与单原子、分子测控技术密切相关，是在单个原子、分子级别上，对材料的种类、数量、结构和性能进行精确观察、控制、处理和应用。

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纳米材料的定义及分类

纳米材料按宏观结构分为纳米粒子、纳米纤维、纳米膜、纳米织物；按材料结构分为纳米分形几何结构、纳米欧氏几何结构、纳米晶体、纳米非晶体；按空间形态分为：

1.1 零维纳米材料

指该材料在空间三维上尺寸均为纳米尺度，即纳米颗粒、原子团簇等。

1.2 一维纳米材料

指该材料在空间两个维度上尺寸为纳米尺度，即纳米丝、纳米棒、纳米管等，或统称为纳米纤维。

1.3 二维纳米材料

指该材料只在空间一个维度上尺寸为纳米尺度，即超薄膜、多层膜、超晶格等。超薄的织物可视为二维纳米材料，已经由静电纺织制得纳米纤维组成的无纺布就是一个实例。

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纳米材料的独特效应

随着材料进入纳米尺度，材料的性能会发生巨大变化，产生许多独特的效应。

2.1 小尺寸效应

当微粒光波波长、德布罗意波长，以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相近或更小时，符合周期性的边界条件受到破坏，因此在光、热、电、声、磁等物理特性方面都会出现一些新的效应，称为小尺寸效应。

2.2 表面与界面效应

纳米微粒的表面积很大，表面的原子数目所占比例很高，大大增加了纳米粒子的表面活性；表面粒子的活性不仅引起微粒表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

2.3 量子尺寸效应

当粒子尺寸降低到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应能导致纳米粒子的磁、光、电、声、热、超导等特性显著不同。

2.4 量子隧道效应

微观粒子具有隧道效应，即微小粒子在一定情况下贯穿势垒的能力。电子具有粒子性和波动性，因此可产生此种现象。这种效应将是未来微电子器件的基础。小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应，都是纳米粒子与纳米固体材料的基本特性，是纳米微粒和纳米固体出现与宏观特性“反常”的原因。

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纳米纤维定义

纳米纤维的定义有狭义和广义之分。狭义的纳米纤维指直径为纳米尺度范围，即定义为直径为1～100 nm的纤维。可以将纳米丝和纳米棒与传统的纤维对应，而纳米管则与传统的中空纤维对应，只是直径要小至少两个数量级。广义的纳米纤维指零维、一维纳米材料与传统纤维复合而制得的纤维，也可以称为纳米复合纤维。更确切地说，这种复合纤维应称为由纳米微粒或纳米纤维改性的传统纤维。只要纤维中包含纳米结构，并赋予了新的物性，则可以划入纳米纤维的范畴。

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纳米纤维的制备和种类

随着纳米材料技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。纳米纤维结构非常微小，普通的生产技术根本无法生产。下面介绍纳米纤维的几种生产工艺：

4.1 纳米纤维的加工方法

4.1.1 静电纺丝法及原理

静电纺丝法，简称电纺，是一种简单、有效的制备微/纳米纤维的方法，也是目前唯一能制备连续微/纳米纤维的方法。电纺过程中，给聚合物流体施加高压静电，使流体通过毛细管。当电压达到某一临界值时，静电力克服聚合物流体的表面张力，喷射出极细的聚合物流体，纺丝溶剂迅速挥发，最终在金属接收屏上形成类似于非织造布的纳米纤维聚集体。

通过控制电压、聚合物溶液浓度等参数，可以改变纳米纤维的直径和聚集体厚度。所得纳米纤维可用于防御安全材料、环境工程、生物技术、医疗保健、能源等领域。

4.1.2 海岛型双组分复合纺丝法

海岛型复合纺丝技术是日本Toray（东丽）公司20世纪70年代开发的一种生产超细纤维的方法。该方法将两种不同成分的聚合物通过双螺杆输送到经过特殊设计的分配板和喷丝板，纺丝得到海岛型纤维，其中一种组分为“海”，另一种为“岛”。这种纤维在制造过程中经过纺丝、拉伸，制成非织造布或各种织物后，将“海”的成分用溶剂溶解掉，便得到了超细纤维。

4.1.3 在聚合过程中直接制造纳米纤维

据1999年9月出版的《科学》杂志报道，日本东京大学已研制成功一种能在聚合过程中直接制成聚乙烯纳米纤维且费用不高的纺丝加工技术。该方法可以制备直径仅为30～50 nm的结晶型纤维，具有较高的强度。

4.1.4 原纤化方法

原纤化方法是将长链多孔结构的纤维（如纤维素纤维）分裂为纳米尺寸的原纤或微原纤。该方法生产的纳米纤维具有中等的强度，但纤维间尺寸和形态的差异较大。

4.1.5 分子喷丝板纺丝法

分子喷丝板技术是对传统纺丝技术的挑战，通过使用液晶高分子膜构成的盘状物，聚合物分子在膜内排列成细丝，并从膜底部释放出来。

4.2 纳米纤维的种类

4.2.1 纳米纺织纤维

利用静电纺丝技术制备的纳米传统纺织用化学纤维有纳米聚丙烯腈纤维、纳米聚对苯二甲酸乙二酯纤维、纳米聚酰胺纤维等。

4.2.2 纳米碳纤维

纳米碳纤维是指具有纳米尺度的碳纤维，依其结构特性可分为纳米碳管（空心纳米碳纤维）和实心纳米碳纤维。

4.2.3 纳米生物纤维

纳米生物纤维是纳米纤维研究领域的前沿，受到蜘蛛丝等自然纤维的启发，具有优异的特性。

4.2.4 纳米导电纤维

典型的纳米导电纤维有聚苯胺类纳米纤维、聚吡咯类纳米纤维等，自1996年开始，纳米导电聚合物的研究逐渐增多。

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静电纺纳米纤维的结构和性能

5.1 纤维杂乱排列的纳米纤维毡

在静电纺纳米纤维材料中，最常见的一种就是纳米纤维毡，其中的纤维呈杂乱无序排布。这种静电纺纳米纤维非织造布主要用于空气过滤材料，也可以用做水过滤膜、亲和膜、防护服、面具用隔离膜，还可以用作高效的催化剂载体。它的制备技术非常简单，将制备好的纺丝溶液放入注射泵中，在挤出针尖连接上高压静电，将纺丝液喷覆到接地的金属接收屏上即可制得。

5.2 多孔表面结构的纳米纤维

当纳米纤维的表面由光滑的固体变为多孔状态时，纳米纤维的表面积能够大大增加，这样可以使应用领域得到拓宽，可以用在催化、过滤、吸收、燃料电池、太阳能电池及组织工程等领域。

5.3 核-壳结构、中空的纳米纤维

同轴静电纺丝是一种能制备具有皮-芯结构的同轴纤维和中空纤维的纺丝方法，即指将2种或多种不同的纺丝液在电场力的驱动下，经过同轴喷丝头出口制得连续复合纳米纤维的方法。

5.4 有序排列的纳米纤维

通过静电纺丝法还能得到有序排列的纳米纤维束，这种静电纺得的高度取向排列的纤维束，可以很好地用作传感器，用于电信、光缆等领域。

5.5 纳米纤维纱线

目前，研究的静电纺纳米纤维主要以无纺布或膜的形式出现，纤维毡中电纺纤维的一维和无序成型阻碍了这种材料向更广阔的应用领域发展。将纳米纤维加工成纳米纤维纱的形式，进而编织、复合制备出多种形状，这样纳米纤维具备了优良的可塑性，扩展了纳米纤维材料的应用领域。

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静电纺纳米纤维批量生产及成纱技术

6.1 多针头喷丝设计

基于单孔纺丝的原理和成熟工艺，制造了利用旋转的接地滚筒作为目标电极的多针头静电纺丝装置，不仅可以增加产量，而且具有制备静电纺双组分以及多组分纳米纤维的潜力。

6.2 无针头静电纺丝

采用多喷头静电纺丝装置虽然可以提高产率，但是在多喷嘴纺丝过程中仍然存在所收集的纤维构造复杂、针头易堵塞等问题，因此设计了一种无针头静电纺丝制备纳米纤维的装置。

6.3 静电纺纳米纤维成纱技术

研究的静电纺纳米纤维主要以无纺布或者膜的形式出现，纤维毡中电纺纤维的一维和无序成型阻碍了这种材料向更广阔的应用领域发展。将纳米纤维加工成纳米纤维纱的形式，进而编织、复合制备出多种形状，这样纳米纤维具备了优良的可塑性，扩展了纳米纤维材料的应用领域。

随着静电纺丝制备纳米纤维在方法、设备、工艺和材料深入研究的基础上，多针头喷丝、多孔平板型喷头、多孔陶瓷管喷头和无针头纺丝技术不仅可以大大提高静电纺丝的产量，而且可以改善纳米纤维及其产品的质量和性能，使得静电纺丝制备纳米纤维技术工业化有了良好的理论和实际基础。为了提高我国静电纺丝研究的实用化水平，应加快、加强我国静电纺丝工业化的研究。在纳米纤维应用急切的需求下，高性能、低成本可静电纺丝材料的设计与制备、面向工业化生产的静电纺丝设备与技术的开发以及电纺纳米纤维的应用研究将成为静电纺丝技术下一步发展的主要方向。

来源：纺织大学堂

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