从小规模实验室走向工业化批量生产

  ——评《静电纺丝与纳米纤维》

  芦雪 胡平 王艳

  随着科技的不断发展,人类对自然界的认识逐渐从宏观世界转入到微观世界。应运而生的纳米技术已成为21世纪的主导技术,其蓬勃的发展,也给纤维科学带来新的观念,静电纺丝技术可制备种类丰富的有机、无机/有机复合和无机纳米纤维。其应用领域也在日益扩大,从生物医学领域到食品工程领域,它存在于我们的日常生活中,与我们息息相关。由中国纺织出版社出版的丁彬、俞建勇主编的《静电纺丝与纳米纤维》一书中,从静电纺技术的基本概念、理论,以及分类和技术应用方面,分别做了比较详细、全面的综述,为研究者以及读者提供了较为专业的参考和指导。

  全书共分为13章。前面5章内容主要涉及静电纺纳米纤维的相关理论和方法研究,6—12章重点对静电纺纳米纤维在不同领域的应用现状作了系统的总结。

  第1章《绪论》分别对纳米材料及纳米纤维叙述了广义和狭义的定义,并由此引述了本书的中心——静电纺丝技术,包括其过程、技术发展历史以及它在纺纳米纤维方面的现状与发展潜力,作者做了归纳性的概述和展望。

  第2章《静电纺丝技术》详细描写了静电纺丝技术的就起源和发展。静电纺丝起源于对静电雾化现象的研究,1934年福马斯的专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流,这一专利被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。世界各国的科研界和工业界对此产生了极大兴趣,并开展广泛的应用研究,得出了静电纺丝的一些基本理论。如射流形成的临界条件、形成模式、射流的运动等,另外对过程参数,包括溶液性质、加工参数以及环境参数都给出了较详细的描写。

  第3章《静电纺纤维种类》本章中对静电纺纤维的种类做了较全面的概括,尤其是一些具有特殊功能的复合纳米纤维。主要分为有机纳米纤维、无机/有机复合纳米纤维、无机纳米纤维。目前较受关注的碳材料/聚合物复合纳米纤维在本章中也有描述,其在光学材料领域的应用大有潜力。无机纳米纤维是一个新兴的多学科交叉的研究领域,还处于起始阶段,虽然应用领域范围较广,但其脆性大却大大限制了其应用。

  第4章《静电纺纤维结构》本章从微观角度分别对静电纺纤维集合体和单根纤维的结构进行了归纳,通过改变接受装置、控制电场、附加磁场等方法可获得取向排列的纤维。单纤维结构有带状、螺旋、多孔、项链、核-壳和中空、树突结构纤维,其中对近期研究热点—纳米蛛网也有描述,但要想使其有更广泛的应用,仍需深入研究其形成过程理论和模型。

  第5章《静电纺纤维测试技术》结构决定性质,静电纺纤维的结构尺度也决定了其纤维测试技术。本章从形貌、结构、组成对其进行测试和表征,另外,对其热学、力学、电学、磁学测试技术也分别作了拓展描述。

  第6章《静电纺纤维表面修饰技术》大多数静电纺纤维自身都存在一定的化学惰性,并不具备某些特殊功能,因此,在本章中详尽的介绍了几种可拓宽其应用领域的表面修饰技术,层层自组装、等离子体、溶胶-凝胶、溅射镀膜、液相沉积、化学气相沉积、表面接枝、表面化学、原位聚合、点击化学、偶联剂等11种表面修饰技术,可提高材料的生物相容性、腐蚀性、耐磨性、渗透性等。其中,点击化学表面修饰技术在2001年获得诺贝尔奖。

  第7—12章作者分别从6个不同的领域对静电纺纤维的应用进展做了综述。

  生物和医学领域:近年来,采用静电纺丝技术制备的聚合物纤维支架已经广泛应用于血管、心脏、神经、骨、软骨、皮肤及膀胱等组织工程研究领域。另外还包括药物控释、创伤修复、酶固定等方面。

  过滤及个体防护领域:静电纺纤维膜作为一种新型过滤材料已经引起了广泛关注。作者从三个方面对其应用进行了总结。首先在气体过滤方面,包括工业粉尘过滤、室内空气过滤、机车空气过滤;液体过滤方面,包括饮用水过滤、污水过滤、食品工业中的过滤、蛋白质的分离与纯化。另外在个体防护领域,防护服和口罩等也均有不同的研究进展。但膜材料的机械强度较低、纤维网的稳定性差等问题仍有待解决。

  传感器领域:基于对高性能传感器的迫切需求以及静电纺丝技术的高速发展,目前研究者已应用不同传感机理开发出不同的静电纺纤维传感器,文献记载有振频式、电阻式、光电式、光学式、安培式传感器。在这一领域,静电纺纤维还有很大的发展空间,作者力图激发读者的研究兴趣。

  自清洁和催化载体领域:主要介绍两种制备静电纺自清洁材料的方法以及四种催化载体材料。两种方法分别是在低表面势能材料商构筑粗糙表面和修饰粗糙表面;四种催化载体包括光催化剂载体、电极催化剂载体、酶催化剂载体、贵金属催化剂载体,当然还有很多其他催化载体,如纳米催化载体。

  能源与光电磁领域:作者用了大量篇幅对其进行论述,因为其已经成为纳米材料研究的前沿与热点。静电纺纳米纤维材料在太阳能、电池、光电器件、能量储存、场发射、磁学等领域的应用研究已经取得了显著进展,并对未来研究者的研究方向提出了目的性要求和一定的方向指引,前途方兴未艾。

  其他领域:对其在复合增强领域,从力学性能和热学性能两个方面进行了介绍。另外,其在食品工程领域以及化妆品中的应用,包括从包装,到功能,再到安全方面均

  有较广泛的应用。

  第13章《静电纺纤维的批量化制造》本章对静电纺纤维的批量化制造设备的现

  本章对静电纺纤维的批量化制造设备的现状进行了概述,并为静电纺纤维的批量化发展,工业制造提供了思路,主要从喷头出发,有三种方法,分别为,单喷头多射流法、多喷头多射流法、无喷头多射流法。

  全书主要围绕静电纺纳米纤维的应用领域展开,结构层次分明,重点突出,给读者以清晰的思路和阅读体验,书中涵盖了丰富的文献,读者可以根据自身需求进行扩展阅读。该书中主要阐述的当前静电纺纳米纤维的发展现状和趋势,一个最集中的问题,就是现有规模基本上都还停留在实验室阶段,这当中有各方面的问题,有的是结构,有的是性能,都限制了其发展趋势。因此,现在,包括以后的研究方向都尽力于将静电纺纳米纤维技术工业化批量生产,从而使其得到更广泛的应用。我想,这也是作者撰写本书的最主要目的吧,旨在通过本书来向读者传达一个信息,通过综述,能对静电纺丝技术在国内学术界和工业界的发展起到抛砖引玉的作用,为读者在研究领域开阔一条新的道路并成为指路标。

编者简介:

丁彬,1975年5月出生。东华大学研究院博士生导师,美国材料学会会员、中国化学会会员、中国微纳米技术学会高级会员。主要研究方向为功能性环保型纳米材料的研制、应用及产业化,应用领域广。学术成果包括10部合著的英文书籍(美国纽约的Nova和英国剑桥的Woodhead科技出版社)、SCI论文38篇(其中以第一作者或联系人出版的SCI论文有32篇,影响因子超过3的文章23篇,论文被引用总次数超过800次,单篇最高104次)、41次国际学术会议发表、10项申请中的国外专利和13项申请中的国内发明专利。担任4个国际学术杂志(Recent Patents on Nanotechnology, The Open Surface Science Journal, Journal of Modern Textile Science and Engineering, and The Internet Journal of Nanotechnology)的编委并为53个国际杂志做特约审稿人,审稿近200篇。另外也多次荣获国内外荣誉奖项,包括2004年“日本丸文财团学术研究奖”、2009年“韩国全州第三次高性能纤维国际会议优秀论文奖”、2010年“上海曙光学者”等,是我国从事纳米材料研究的领先者。

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