一、研究背景

納米材料的結(jié)構(gòu)組分的尺寸范圍約為1 - 100nm，這種極小的尺寸所產(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和隧道效應(yīng)使其具有與宏觀材料（即塊狀材料）完全不同的各種特性。其中，納米纖維（通常稱為聚合物納米纖維）作為一維（1D）納米材料，具有高縱橫比、大比表面積、高表面自由能、高分子鏈取向、高結(jié)晶度以及良好的力學(xué)性能（包括高模量、高韌性、高抗拉強(qiáng)度）等特點(diǎn)。納米纖維作為納米材料的杰出代表，在過濾、絕緣、降噪等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它們的制備方法包括拉伸成纖維、模板合成、自組裝、微相分離、靜電紡絲等。

利用靜電紡絲設(shè)備是制備聚合物納米纖維及其薄膜的最有效、大規(guī)模和低成本的方法，它利用靜電力生產(chǎn)直徑從納米到微米不等的聚合物纖維。從歷史上看，靜電紡絲技術(shù)可以追溯到1882年Raleigh等人對(duì)液滴在電場(chǎng)中的不穩(wěn)定性的研究，以及1915年Taylor等人對(duì)液滴和帶電纖維束在電場(chǎng)中的碎裂的研究。真正的靜電紡絲技術(shù)始于1934年福爾哈爾斯的專利，該專利用于使用靜電場(chǎng)制備聚合物長(zhǎng)絲的工藝和設(shè)備。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，其大規(guī)模應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。其具體方式主要有針紡紗（包括單針和多針）、無針紡紗和氣泡紡紗。在靜電紡絲工藝中，需要先制備聚合物溶液，然后置于強(qiáng)電場(chǎng)中。在特定場(chǎng)強(qiáng)（即臨界場(chǎng)強(qiáng)）下，球形液滴將被拉伸成一個(gè)錐體（稱為“泰勒錐體”）。當(dāng)帶電荷的射流從錐體噴射出來時(shí)，由于錐體的不穩(wěn)定性，錐體會(huì)延伸成一條直線。在這一點(diǎn)上，射流將被拉伸成一條更細(xì)的直線并固化，沉積在收集板上并成為納米纖維。

與普通纖維布相比，靜電紡納米纖維膜具有比表面積大、孔隙小、孔隙率高、重量輕、厚度超低、力學(xué)性能靈活等優(yōu)點(diǎn)。因此，在過濾、能源、催化、環(huán)保、服裝、組織工程等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。靜電紡絲還可以方便地調(diào)節(jié)所得到的納米纖維的形態(tài)。例如，卷曲是纖維結(jié)構(gòu)的一種重要形式，可以提高纖維的柔韌性、彈性和空間可擴(kuò)展性。Xiong等人提出了通過一步靜電紡絲形成連續(xù)自卷曲納米纖維的策略，發(fā)現(xiàn)沉積在羊毛基片上的靜電紡PS纖維的卷曲是由基片與纖維之間的直徑、介電常數(shù)、電導(dǎo)率和間隙寬度的綜合差異引起的（如圖1）。相應(yīng)的理論也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這種自卷曲納米纖維可用于水傳導(dǎo)、絕緣和功能載體等領(lǐng)域。

二、摘要

納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的材料，其中納米纖維以其高縱橫比、高比表面積、高分子取向、高結(jié)晶度、優(yōu)異的力學(xué)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究開發(fā)的熱點(diǎn)。靜電紡絲技術(shù)具有可控性、通用性、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是制備納米纖維及其薄膜的重要方法。在靜電紡絲聚合物溶液中加入陶瓷、金屬、碳材料等納米填料制備復(fù)合材料，可以進(jìn)一步提高納米纖維及其薄膜的機(jī)械強(qiáng)度和多功能，為其廣泛應(yīng)用提供了可能?；诟叻肿訌?fù)合納米纖維領(lǐng)域的快速發(fā)展，本文以聚氨酯（PU）基復(fù)合納米纖維為主要代表，綜述了其在吸聲材料、生物醫(yī)學(xué)材料（包括組織工程植入物、給藥系統(tǒng)、傷口敷料等抗菌材料、衛(wèi)生材料等）、可穿戴傳感器件和能量采集器、吸附材料、電磁屏蔽材料、增強(qiáng)材料。最后，總結(jié)了它們之間的性能應(yīng)用關(guān)系，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。以期為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)。

三、結(jié)論

納米纖維作為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的納米材料之一，因其眾多優(yōu)異的性能而成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，而利用靜電紡絲設(shè)備是納米纖維及其薄膜的主要制備方法。靜電紡絲與納米復(fù)合技術(shù)的結(jié)合，可以進(jìn)一步提高納米纖維及其薄膜的機(jī)械強(qiáng)度和多功能性。本文以pu基復(fù)合納米纖維為代表，綜述了其在吸聲材料、生物醫(yī)學(xué)材料、可穿戴傳感器件和能量收集器件、吸附材料、電磁屏蔽材料和增強(qiáng)材料等領(lǐng)域的最新實(shí)際應(yīng)用。

雖然這篇綜述涵蓋了電紡納米纖維的大多數(shù)重要應(yīng)用，但仍有一些潛在的重要未來應(yīng)用尚未解決。據(jù)我們所知，隨著靜電紡納米纖維膜性能的進(jìn)一步提高，它可以用作電解質(zhì)過濾膜、表面柔軟手感材料、表面超黑材料等。

圖1.在羊毛纖維基底上沉積自卷曲靜電紡絲纖維的總體制備過程示意圖，包括紡絲方法、組合形式和纖維形態(tài)。

圖2.由回收瓶子廢料制成的PET非織造布(a)和PU納米纖維膜增強(qiáng)非織造布(b)的照片。

圖3.多層復(fù)合納米纖維膜的制備工藝示意圖。

圖4.TPU/CNT/PDMS復(fù)合納米纖維的制備示意圖：TPU納米纖維(a)、TPU/CNT復(fù)合納米纖維(b)和TPU/CNT/PDMS復(fù)合納米纖維(c)