2.2　静电纺丝技术的应用

静电纺丝技术的研究最早始于有机聚合物纳米纤维的研制，随着研究的不断深入，已经有一百多种聚合物、生物分子可以通过静电纺丝技术来构筑具有不同结构、形貌和功能的微纳米纤维。近来，除了有机聚合物纳米纤维的研制，静电纺丝技术也被广泛地应用于制备陶瓷纤维。实际上，静电纺丝技术并不能用于直接获得陶瓷纤维，需要增加一步热处理过程来除去有机聚合物。而增加的热处理过程有利于多孔或者中空结构的陶瓷纤维产生（图2-2）。这些新颖和可控的形貌和结构使得电纺纳米纤维可以作为电子器件、传感材料、过滤材料、增强材料、超疏水材料、催化剂和酶的载体而被广泛应用于传感、通信、工业、能源、环境科学和生命科学等诸多领域。

图2-2　具有不同结构的一维无机化合物

2.2.1　生物医学领域

许多类型的聚合物可以通过静电纺丝技术制备纳米纤维，这些纳米纤维已经被广泛应用于组织工程、人造器官应用、药物传递和创伤修复等生物医学领域。例如，2001年，Smith等[26]首次报道了利用静电纺丝纤维修复皮肤创伤的过程，而且可以通过改变聚合物纤维和药物的种类来满足不同伤口的需要，这一成果显示简单纺丝设备已经发展到可以直接制备应用于修复伤口的材料阶段。而且，静电纺丝技术也可将生物相容的电纺丝超细纤维沉积到医疗器械表面，形成超薄的多孔膜，这些包覆的医疗器械被移植到体内后，既能有效地减少在组织/医疗器械界面上的硬度不匹配性，从而防止和减少医疗器械可能对组织造成的损伤，又有利于组织在其表面的生长[27]。

2.2.2　光、电、磁学领域

静电纺丝技术制备的纳米纤维还可以被广泛应用于光、电、磁学领域。例如，2005年，Sabine Schlecht率先通过静电纺丝技术将ZnSe量子点添加到聚乳酸中制备纺丝纤维[28]，并考察了其光学性质。我们也成功地将稀土铕的配合物引入聚丙烯腈中制备具有红光发射的荧光纤维，并且通过研究其光学性质证实，电纺纤维的包覆有利于提高其荧光量子产率和荧光寿命[29]。不仅如此，我们进一步制备了具有荧光和磁性双重功能的纳米纤维，由于纳米纤维结构的有效隔离，即使存在双重功能也不会彼此影响（图2-3）[30]。

图2-3　具有荧光和磁性双重功能的纳米纤维的形貌图片

2.2.3　催化领域

静电纺丝技术制备的纳米纤维还可以被广泛应用于催化领域。例如，Bai等[31]以β-环糊精为原料，通过与聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈混合，然后利用静电纺丝技术，制备了β-环糊精/聚合物复合纳米纤维。并在其表面负载贵金属粒子制成的复合纤维膜可以用于硝基化合物催化氢化反应的研究和催化碘代苯与丙烯酸类化合物的Heek反应。另外，联合静电纺丝技术和随后的热处理过程可以得到各种金属氧化物一维纳米纤维，这些材料可以被广泛地应用于光催化降解水中的有机染料。东北师范大学的Shao所在的研究小组在这方面做了许多杰出的工作。例如，他们可以利用静电纺丝技术和随后的热处理过程制备TiO2纳米纤维，并且通过联合水热反应在TiO2纳米纤维表面可控生长各种无机化合物，从而得到Bi4Ti3O12/TiO2[图2-4（a）]，SnO2/TiO2[图2-4（b）]，SrTiO3/TiO2[图2-4（c）]等各种复合次级材料[32～34]。而且这些复合材料对降解水中的有机染料具有优异的性能。我们则利用同样的方法制备了具有可控形貌的Fe3O4/TiO2次级复合材料[图2-4（d）]，该复合材料不仅可以有效地降解水中的有机染料，而且由于具有磁性可以很容易地将复合材料从催化降解后的水中简单地分离出来[35]。

图2-4　具有不同形貌和不同成分的次级纳米纤维的电镜图片

2.2.4　传感领域

静电纺丝技术制备的纳米纤维还可以被广泛应用于传感领域。可以应用于传感领域的电纺纤维主要包括以下2个方面。

（1）电纺含有荧光分子的聚合物纤维薄膜

为了使荧光探针使用更加趋于简单化，便于使用，荧光薄膜传感材料成为了研究的热点。研究者将具有特定功能的荧光小分子嫁接到聚合物上，然后通过静电纺丝技术制备便于重复使用的薄膜传感材料。例如，Wang等[36]在电纺纤维表面修饰了罗丹明分子，制备了可以用来比色传感Cu2+的荧光薄膜传感器。将制备的薄膜传感器置于含有Cu2+的溶液中时，薄膜传感器可以作为试纸测试水溶液中Cu2+的含量（图2-5）。而且测试后的薄膜可以通过加入EDTA去除吸附的Cu2+，从而达到反复多次使用的效果。

图2-5　Wang等利用静电纺丝技术制备的荧光传感薄膜

（2）联合静电纺丝技术和随后的热处理过程制备无机氧化物传感材料

人们对稀土修饰的一维纳米材料的关注不仅仅局限于发光领域，而且还扩展到传感领域。例如，Xu等[37]利用静电纺丝法首次制备了具有次孔状结构的In2O3-CeO2纳米管系列样品，并且通过调整两种氧化物的摩尔比，有效地调控纳米管的形貌和气敏传感性能。当将优化好的纳米管材料进行不同温度下气敏测试时，该材料对硫化氢和丙酮气体表现了优异的气敏特性（图2-6）。

图2-6　Xu等利用静电纺丝技术制备的气敏传感材料

2.2.5　工业领域

静电纺丝技术制备的纳米纤维还可以被广泛应用于工业领域。由静电纺丝技术制备的无纺布纳米纤维薄膜，具有较大的比表面积和小的孔径尺寸等特点，因此具有很强的吸附能力以及良好的过滤性能。例如，以聚丙烯无纺布为基质，尼龙66纳米纤维网是一种性能优异的新型过滤材料。Allabashi等[38]则首先利用静电纺丝技术制备Al2O3、SiC和TiO2等电纺陶瓷纤维，然后将其与多种聚合物混合，通过它们之间形成化学键和发生聚合反应，来制备有机-无机复合滤膜。这种复合滤膜可以有效除去单环和多环芳香烃、杀虫剂以及甲基叔丁基醚等多种有机污染物。