PAN纳米纤维的制备与性能研究(2)
图 1 静电纺丝示意图
由于超细纤文的优良性能，人们对其制造方法进行了广泛的研究，传统的方法无法得到直径小于500nm的纤文，但是静电纺丝方法能纺出直径最小达1nm的超细纤文。静电纺丝技术的基本原理：静电纺丝装置中电源一般使用能够产生几千到几万伏特的直流电源，用以产生高压的电场，高压静电场在毛细管喷丝头和接地极板间瞬时产生一个电位差使聚合物液体或者熔融体（一般为非牛顿流体）克服自身的表面张力和粘弹性力，在喷丝头末断呈现半球状的液滴。随着电场强度的增加，液滴被拉成圆锥状即泰勒锥，当电场强度超过一临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流（一般流速数m/s），在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环。在溶剂挥发或熔融体冷却中固化，最终落在收集板上形成纳米纤文，直径一般在几十纳米到几微米之间。装置中的液体供给装置的一端一般为带有毛细管的容器（如注射器），其中盛有聚合物液体或熔体。另外，随着对实验要求和产品性能的不断提高，液体流量控制系统也被开始采用，这样可以准确控制液体的流速。纤文接收装置是在喷丝头的相对端设置的金属接收板，可以是旋转的滚筒或者是在平板平面上铺一层金属锡箔纸。接收装置用导线接地并与高压电源负极相连。
静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤文的新型加工技术，在生物医学领域，由于纳米纤文的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生物功能为组织和器官的修复提供了可能；在过滤领域，纤文过滤材料的过滤效率会随着纤文直径的降低而提高，因而，降低纤文直径成为提高纤文滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纳米纤文具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，大幅度提高传感器性能。另外，在化妆品，防护，物理光电材料等各个领域都有着不俗的应用。
虽然静电纺丝技术已经制备了种类繁多的纳米纤文，包括有机、无机、有机/无机和稀土金属参杂复合纳米纤文。然而，利用静电纺丝还面临一些亟要解决的难题，首先，在制备有机纳米纤文方面，用于静电纺丝的天然高分子物质还十分受限，对所得物质的结构和性能的研究还有待完善，最终产品的应用还只是处于实验研究阶段，尤其是这些产品的产业化生产还有一定的瓶颈，其次，静电纺有机/无机复合纳米纤文的性能不仅与无机纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集形式以及协同性能、聚合物本体的结构性能、粒子与本体的界面结构性能及加工复合技术等因素有关。如何合成合乎需求的、高性能、多功能的复合纳米纤文是研究的关键。此外，静电纺无机纳米纤文还处于初始研究阶段，无机纳米纤文在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器材、航天材料等多个专业前沿领域具有潜在的功能。但是，静电纺无机纳米纤文较大的脆性限制了其所能的应用性能和领。因此，开发具有柔韧性、连续性的无机纳米纤文是一个重要的课题。
聚丙烯腈（PAN）是一种已知良好的成纤聚合物，纺织工业应用十分广泛，其成膜性能非常好，耐一般的溶剂，不易水解，抗氧化，化学性能很好，有优异的耐细菌侵蚀性。同时丙烯腈易于和多种单体聚合，聚丙烯腈中的氰基也提供了进一步官能化的可能。而且，更为重要的是在制备碳纤文的过程中，聚丙烯腈是主要原料。静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤文[10-12]的主要步骤是将PAN溶于DMF溶液中,将得到的均一、透明、稳定的溶液作进行高压静电纺丝，以获得具有纳米尺寸的纤文。用静电纺丝技术获得的聚丙烯腈纳米纤文拥有许多独特的功能。在生物医学方面，它可以作为生物固化膜。利用聚丙烯腈良好的机械性能，抗细菌侵蚀及不易水解的优点，聚丙烯腈纤文可以作为生物活性物质的载体，它可以将青霉素G酰化酶及青霉素酰化酶固定合成头孢氨苄。