电纺纳米纤维多级形貌调控研究进展

"静电纺丝"是目前制备纳米级纤维最为简单有效的方法,其制得的纤维材料具有径细、质轻、比表面大、孔隙率大等优点,应用前景广泛。与传统纤维相比,电纺纤维具有一些独特的形貌结构特点。本文根据电纺纤维的宏观、微观形貌特征将其划分为三级形态(多根纳米纤维排列形成的聚集形貌)、二级形态(单根纳米纤维的宏观形貌)以及一级形态(单根纳米纤维的介观及微观形貌),详述了各级形态纤维的形貌结构特点、制备方法以及形成机理,并对这些形态各异纤维材料的应用前景进行了展望。     

改性海藻酸钠聚集行为对电纺纳米纤维形貌的影响

以过硫酸钾(KPS)为引发剂, 采用双丙酮丙烯酰胺(DAA)对海藻酸钠(SA)进行改性, 制备了海藻酸钠-聚双丙酮丙烯酰胺两亲性共聚物(SA-PDAA). 将SA-PDAA与聚乙烯醇(PVA)复配, 并进行静电纺丝, 制得SA-PDAA/PVA电纺纳米纤维. 通过红外光谱、 差示扫描量热和荧光光谱表征了SA-PDAA的结构和性能, 通过黏度仪、 表面张力仪和电导率仪测试了SA-PDAA纺丝液的物理性能, 用扫描电子显微镜表征了SA-PDAA/PVA电纺纳米纤维的形貌, 考察了SA-PDAA/PVA电纺纳米纤维的释药性能. 结果表明, DAA接枝到SA分子链上, SA-PDAA的临界聚集浓度为0.072 g/L, SA-PDAA具有良好的两亲性, SA-PDAA/PVA电纺纳米纤维具有均一的形貌. 改性后的SA可以有效地减缓药物释放速度, 提高SA-PDAA/PVA电纺纳米纤维的缓释性能.     

二氧化碳-环氧丙烷共聚物电纺纤维形貌研究

利用电纺丝技术制备了二氧化碳环氧丙烷共聚物超细纤维,研究了喷丝口电势、纺丝距离、浓度、溶剂等因素对纤维形貌、直径及均一性的影响.实验结果表明,利用电纺丝法可以制备直径在小于200nm到7μm二氧化碳环氧丙烷共聚物纤维;喷丝口电势和浓度对于共聚物电纺丝纤维是否形成串珠结构有重要影响;电势、距离和纺丝液浓度都对纤维直径及分散系数有较大影响,在一定范围内,随着喷丝口电势增加,纤维平均直径变大而分散系数变小;纺丝距离增大使得纤维平均直径变小,分散系数变大;浓度的增大使得纤维平均直径变大,分散系数变小;不同溶剂配制的溶液体系制备的电纺丝纤维形貌有很大差异,在二氯甲烷和丁酮的体系中,分别观察到了两组较为集中的直径分布.     

AOPAN@Mg(OH)2多层次电纺纤维膜的制备及除铬性能

以含有—NH₂和C═N的偕胺肟化聚丙烯腈(AOPAN)纳米纤维膜为载体, 通过水热法在AOPAN纳米纤维膜表面原位生长片状Mg(OH)₂纳米粒子, 得到具有多层次结构的有机-无机电纺复合纳米纤维膜[AOPAN@Mg(OH)₂], 并研究了AOPAN@Mg(OH)₂的除铬性能. 研究结果表明, 当水热温度为40 ℃, 水热时间为7 h时, AOPAN纳米纤维膜表面形成了明显的多层次结构的Mg(OH)₂纳米晶体. 当溶液pH=2时, AOPAN@Mg(OH)₂复合纳米纤维膜对Cr(Ⅵ)的吸附符合Langmuir模型, 且满足二级动力学方程, 5 h后最大吸附量达到123.5 mg/g. AOPAN@Mg(OH)₂复合纳米纤维膜中含有—NH₂基团和Mg(OH)₂纳米粒子, 在酸性条件下可以质子化为带正电的—N\begin{array}{c}{H}_3^{+}\end{array}和Mg(OH)₂H⁺, 通过静电吸附更易与HCr\begin{array}{c}{O}_4^{-}\end{array}结合. 此类复合纳米纤维膜材料在水体中易取出, 并且在稀NaOH溶液中可以解吸附, 循环使用4次去除率仍可以保持在50%以上.     

聚丙烯腈电纺纤维的功能化

聚丙烯腈是一种性能优异、应用广泛的成纤聚合物,静电纺丝技术则可用于制备聚丙烯腈纳米纤维,本文对聚丙烯腈纳米纤维的功能化进行了综述.通过表面仿生修饰、碳纳米管填充等方法改性的聚丙烯腈电纺纤维被尝试作为酶固定化的载体材料,在显著提高载酶量的同时,能大幅度提高酶活性.糖基功能化的纳米纤维对特定的蛋白质具有较高的识别效率,可望用于蛋白质的分离与纯化.卟啉化的聚丙烯腈电纺纤维则在显示出荧光特性的同时,在催化、传感等方面具有潜在的应用前景.     

聚甲醛电纺纤维表面孔结构的控制

研究了环境相对湿度、 温度、 溶液浓度、 纺丝电压和接收距离对聚甲醛(POM)电纺纤维表面孔形貌的影响. 结果表明, 空气中一定含量的水对孔的形成至关重要; 纺丝液浓度对孔的大小有影响. 并对POM 纤维表面成孔的可能机理进行了分析.     

电纺含银纳米粒子复合纤维的制备及应用

银纳米粒子由于其特殊的物理化学性质而被广泛应用,但其易团聚,影响实际使用效果。银纳米粒子可被负载到稳定载体上,获得具有优异性能的纳米复合材料,克服了团聚等缺限,大大改善应用效果和效率。采用静电纺丝技术制备银修饰纳米复合纤维材料是其中一种有效的方法,近年来在复合材料制备领域受到了广泛关注。本文综述了最近几年关于静电纺丝制备负载银纳米颗粒纤维复合材料及其应用的研究进展,重点介绍了静电纺丝制备负载银纳米纤维过程中纳米银的生成和负载方法,总结了有机主体和无机主体两种纺丝纤维的制备研究进展,详细介绍了负载银纺丝纤维在几个重要领域的应用及研究方向。     

纳米纤维复合材料的离子传输动力学调控及其电化学应用

纳米纤维复合材料因具有高孔隙率、高比表面积以及多样化的组成和结构可设计性被广泛应用于锂硫电池、锂空电池等新型锂金属电池储能体系中.电池的电化学性能主要依赖于充放电反应中的离子传输过程,而纳米纤维的结构形态以及表/界面性质对于离子传输动力学具有重要影响.因此,本文针对新型储能电池应用中离子传输动力学缓慢、中间产物如多硫阴离子等易穿梭,以及负极枝晶生长等关键科学与技术问题,综述了纳米纤维复合材料的创新性设计和制备方法;进一步结合本课题组近期工作重点,阐述了纳米纤维复合材料的组成与结构调控对锂电池中离子传输动力学的优化作用;最后,总结了纳米纤维复合材料在锂电池正负极、隔膜、电解质等领域的应用进展,并讨论了其在新型储能设备领域的挑战和未来发展前景.     

纳米BaFe12O19纤维的电纺制备及磁性研究

以PVP的乙酸溶液为助纺剂,采用静电纺丝技术制得了纳米BaFe12O19纤维,利用XRD和EDS对样品的物相和成分进行了分析,利用SEM和TEM对样品形貌和粒径进行了表征,并利用振动样品磁强计(VSM)对样品进行了磁性能研究.结果表明,BaFe12O19/PVP复合纤维经过800℃煅烧后,制得了纯净的BaFe12O19纳米纤维,纤维平均直径为150 nm,呈现出多晶结构,矫顽力为4 164.9 G,与粉体相比,矫顽力有较大提升,有望扩展BaFe12O19在高密度垂直记录材料、微纳米电子材料和微波材料等领域的应用.     

原位交联明胶电纺纤维的制备工艺研究

提出一种原位交联工艺,用于一步制备交联明胶电纺纤维膜,克服目前该电纺膜交联工艺繁琐以及交联过程破坏纤维形态等缺点.通过一系列实验,找出明胶-三氟乙醇-戊二醛三元溶液体系的稳定电纺条件.所得的纤维直径在1μm左右,远大于单纺明胶的纤维直径.同时发现,在电纺过程中,由于纤维表面戊二醛迅速挥发,使得纤维形成"伪核壳"结构.利用流变仪对三元溶液交联速率进行分析,结果表明戊二醛加入明胶溶液后,体系黏度瞬间增大,10 min后维持稳定.最后,通过耐水性试验评价纤维膜交联效果,发现纤维膜有10%左右的溶解,但在水介质中仍可保持很好的纤维形态.     

聚苯氧基膦腈的合成及其电纺纤维的制备

以环状三聚六氯磷腈(HCCP)为原料,采用热开环聚合方法,合成了聚二氯磷腈,再利用亲核取代反应合成了聚苯氧基膦腈(PPPh).采用FT-IR、1H NMR、GPC、DSC、TGA等对所得到的聚合物进行了结构表征和性能测试.通过静电纺丝法制备聚苯氧基膦腈纤维,研究了纺丝液浓度、电场强度、挤出速度等对纤维形态的影响.结果表明,在聚合物溶液浓度为7(wt)%～8(wt)%、挤出速度为0.3～1.0 mL/h、接收距离为20cm、电压为22kV的静电纺丝条件下,可制备纤维直径为300～800 nm的PPPh纤维.     

Ce4+离子对电沉积金属铬的影响

用电沉积方法从含有CrO。及少量HzSO。的电解液中制备的金属铬镀层，具有极好的反光性能及装饰性能，应用十分广泛．但长期以来，一直采用高CrO。浓度（2509·L－‘以上）、高温度（50”C以上）的工艺，加上该工艺阴极电流效率极低（10％左右）＊；环境污染、材料和能源浪费严重．近年来，在改善镇铬工艺方面的研究取得了很大的进展，其中使用各种添加剂的尝试得到了一定的成效，如使用含有卤素化合物的添加剂可提高镀铝的阴极电流效率［2－1使用含稀土化合物的添加剂可以使电解液中CrO。浓度和操作温度大大降低，而阴极电流效率却有所…     

抗污染PVA/PVDF电纺纳米纤维复合超滤膜的制备及过滤性能

以聚对苯二甲酸二醇酯(PET)无纺布为基底,聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维为支撑层,聚乙烯醇(PVA)纳米纤维膜为分离层,采用静电纺丝法制备超滤膜,并用水/丙酮混合溶液对复合纳米纤维膜表面进行溶液处理,再加入戊二醛交联改性得到致密分离层.采用扫描电子显微镜(SEM)和红外光谱(FTIR)表征了复合超滤膜的表面,用水接触角(WCA)表征复合超滤膜的亲水性.在0.02 MPa恒压下死端过滤油/水乳液,测试复合超滤膜的过滤性能.结果表明,最优条件下制备的复合超滤膜死端过滤油/水乳液的通量为(42.50±4.78)L/(m~2·h),截留率达到(95.72±0.33)%;循环使用5次后,依然具有较好的过滤性能,常压下死端过滤复合超滤膜的纯水通量为(3469±28)L/(m~2·h).     

PS-PBA粒子分散系的介电弛豫谱解析——同、反离子对弛豫的影响及表界面电参数的计算

制备了近纳米级的聚苯乙烯-丙烯酸丁酯(PS-PBA)复合微球粒子,并在40Hz～110×106Hz的宽频范围测量了该粒子分散在9种电解质中时的介电弛豫谱,发现了与PS微球粒子分散系不同的特异介电弛豫:低频弛豫对反离子种类具有敏感性而高频弛豫则与电解质种类几乎无关;根据Shilov-Dukhin模型和M-W-O模型分别分析了高、低频率的弛豫机制,并通过对介电谱的Cole-Cole拟合获得了各体系的介电参数.进一步利用Hanai方法由介电参数计算获得了所有体系的相参数;详细分析了体系的内部参数受PS-PBA微球自身结构以及电解质种类影响的原因;讨论了离子扩散系数对介电参数的影响,从而得出了低、高频的弛豫特征时间分别由同离子的扩散系数和反离子的扩散系数所决定之结论.最后,结合Grosse宽频介电理论计算了粒子表面的以及双电层的主要电参数,并分析了电解质种类差异对这些电参数的影响.     

电解液离子与炭电极双电层电容的关系

以酚醛树脂基纳米孔玻态炭(NPGC)为电极, 通过微分电容伏安曲线的测试, 研究了水相体系电解液离子与多孔炭电极双电层电容的关系. 结果表明, 稀溶液中, 多孔炭电极的微分电容曲线在零电荷点(PZC)处呈现凹点, 电容降低, 双电层电容受扩散层的影响显著；若孔径小, 离子内扩散阻力大, 电容下降更为迅速, 扩散层对双电层电容的影响增大. 而增大炭材料的孔径或电解液浓度, 可明显减弱甚至消除扩散层对电容的影响. 炭电极的单位面积微分电容高, 仅表明孔表面利用率高, 如欲获得高的电容量, 还要有大的比表面积. 离子水化对炭电极的电容产生不利影响, 选用大离子和增大炭材料的孔径, 可有效降低离子水化对炭电极电容性能的影响.     

离子液体[BMIM]PF_6中铬的电沉积行为

以一氯丁烷、N-甲基咪唑和KPF6为原料,合成了1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体([BMIM]PF6),用红外光谱(IR)对产物进行了结构分析.用循环伏安法测试该离子液体在85℃下的电化学窗口为4.7 V.考察了[BMIM]PF6-Cr(Ⅲ)电解液的电化学行为,结果表明,在85℃下Cr(Ⅲ)的还原过程是受扩散控制的一步还原不可逆过程,Cr(Ⅲ)的传递系数α=0.023,阴极扩散系数D0=1.142×10-6cm2/s.在85℃和-1.5 V条件下,用恒电势法在铜片上电沉积Cr(Ⅲ),并通过扫描电子显微镜(SEM)观察了铜片上镀层的表面结构,发现该镀层呈颗粒状,且颗粒的体积随沉积时间的延长而增大.X射线能量色散谱(EDS)和X射线粉末衍射(XRD)测试结果表明,该镀层为无定形的金属铬.     

卤离子对化学沉积镍的影响

用重量法测定了卤离子对化学沉积镍速度的影响．并借助电化学方法研究了卤离子对镍的化学沉积过程的极化曲线和稳定电位的影响．探讨了卤离子加速和稳定化学沉积镍的机理     

静电纺氧化锰复合碳纳米纤维柔性膜的电化学性能

采用一步法静电纺丝技术制备了具有超亲水特性的氧化锰/碳纳米纤维(MnO_x/CNFs)复合柔性膜电极材料,并通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对复合材料进行了表征.电化学性能测试结果表明,复合材料的电容性能优于单一材料,醋酸锰质量分数为40%时制得的复合纳米纤维电极(MC-4)在1 A/g电流密度下,于2 mol/L KOH电解液中的比电容高达1112.5 F/g,10 A/g电流密度下循环3000次比容量保持在93.4%,具有很好的稳定性.MnO_x/CNFs复合材料电化学性能增强一方面是由于三维超亲水纤维膜结构有利于电解液的快速浸润渗透,从而极大缩短了传输到材料基质的有效路径;另一方面是由于碳和MnO_x的协同效应,包裹在MnO_x粒子周围的碳层避免了MnO_x在充放电过程中的体积膨胀效应,这2种叠加机制促进了电化学性能的提升.     

磷钼酸/聚苯乙烯/聚乙烯醇电纺纤维膜的制备及性能

采用静电纺丝法制备了磷钼酸/聚苯乙烯(PS)/聚乙烯醇(PVA)复合纤维,并将其模压成膜.利用红外光谱(IR)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线能谱(EDX)等对复合纤维及其膜的结构与形貌进行表征,并对复合纤维膜的光催化性能、力学性能及在水中稳定性进行测试.结果表明,在复合纤维中磷钼酸的Keggin结构得到保持.PS与PVA质量比为1∶1时,复合纤维形貌最佳,表面光滑,直径较小且分布均匀,复合纤维的直径随着磷钼酸含量的增加而减小.将磷钼酸固载于复合纤维膜上比直接使用具有更高的光催化活性,光照25 min后接近98%的甲基橙降解;复合纤维膜易于回收再利用,5次重复使用后,复合纤维膜没有破损,磷钼酸损失较少,光催化性能无明显下降.复合纤维膜的强度随磷钼酸含量的增加先增大后减小,韧性随PVA含量的增加而增大,随磷钼酸含量的增加而减小.