静电纺丝技术及其在水处理中的应用_魏诗辉

静电纺丝是现有唯一的可以连续制备的、直径低至几纳米纤维的技术[1]。该技术应用广泛，可以采用天然聚合物、共混聚合物和带有发色团、纳米微粒或者活性基团的聚合物制备具有各类应用前景的纳米纤维，并且通过改变静电纺丝的参数可以制备具有特殊结构的纤维，如多孔纤维、核壳纤维、中空纤维、有序排列和三维结构的纤维等。静电纺丝技术由Formhals在1934年提出，并申请了专利[2]。静电纺丝的原理是：在注射器中的聚合物溶液或者熔体由于受到外加电场的作用，克服自身的表面张力，从喷丝针头喷出形成喷射细流，细流在喷射过程中溶剂蒸发或者熔体凝固最终在接收装置上形成纤维。影响静电纺丝的因素有很多：一是聚合物溶液或者熔体的特性的影响，包括聚合物的种类，聚合物的分子构造和聚合物的相对分子质量，聚合物的极性、表面张力和溶剂的蒸发速率以及聚合物的粘稠度（含量）、弹性和电导率；二是试验的操作条件的影响，包括试验中的电场强度，试验装置各部件的选择，喷丝针头与接收装置之间的距离，喷丝针头的长度与直径以及聚合物溶液或熔体的输送速度；三是外在环境的影响，包括试验温度和湿度。本文根据静电纺丝采用的聚合物原料的类型、静电纺丝制备的纳米纤维的特殊结构的种类、制备有序排列的纳米纤维的方法以及制备三维纳米纤维的进展4方面对静电纺丝进行介绍，并归纳了静电纺丝技术在水处理中的应用。1静电纺丝技术1.1聚合物溶液或者熔体的类型原则上，只要将溶液或者熔体参数和操作参数正确、适当地调整，所有可溶或者可熔的聚合物都可以通过静电纺丝制成纤维，所以经验对于静电纺丝试验的成功与否相当重要。本文将静电纺丝采用的聚合物分为4类进行讨论：生物聚合物和改性生物聚合物、水溶性聚合物、生物可降解聚合物、有机可溶聚合物以及熔融聚合物。目前已经有许多生物聚合物、改性生物聚合物以及与有机聚合物混合的生物聚合物静电纺丝为纳米纤维。其中静电纺丝最为广泛的生物聚合物是未来在组织工程中很有应用前景的胶原蛋白，最佳条件下，其静电纺丝纤维的直径可以达到200～500nm[3]。其它蛋白质或者酶如酪蛋白、脂肪酶和纤维素酶在与人工合成的聚合物混合后也可以静电纺丝为纤维[4]。由生物聚合物静电纺丝成的纳米纤维由于其生物适应性，因而可以被广泛的应用在伤口包扎、抗菌等领域。作为天然伤口愈合物质的纤维蛋白原可以静电纺丝成直径为0.08～1.2μm的纤维[5]；同静电纺丝技术及其在水处理中的应用魏诗辉1，李风亭1，2，张冰如1（1.同济大学环境科学与工程学院，上海200092；2.污染控制与资源化国家重点试验室，上海200092）摘要：根据静电纺丝采用的聚合物原料的类型、静电纺丝制备的纳米纤维的特殊结构的种类、制备有序排列的纳米纤维的方法以及制备三维结构纳米纤维的进展4方面对静电纺丝技术进行了叙述，归纳了静电纺丝技术在水处理中微粒物质的、重金属污染物的去除和污染物检测方面的应用。认为目前限制静电纺丝技术发展有2个主要问题，即没有明确的理论指导，一些原理尚未搞清；制备的纳米纤维产量低下，难以工程化、规模化。关键词：静电纺丝；纳米纤维；特殊结构；水处理中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3770(2009)10-006-05收稿日期：2009-05-14基金项目：国家科技重大专项资助水专项课题（2008ZX07421-002）作者简介：魏诗辉（1986－），男，硕士研究生，研究方向为水处理吸附剂的研发与应用；E-mail：only-oliver@163.com联系作者：李风亭，教授；联系电话：021-65980567；E-mail：fengting@mail.tongji.edu.cn第35卷第10期2009年10月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.35No.10Oct.,20096DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2009.10.002样，可以用于伤口包扎的壳聚糖也可以静电纺丝成纯物质或者混合物[6]。值得注意的是，从壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）的混合物中可以静电纺丝出具有抗菌作用的纤维[7]。水溶性聚合物如聚氧化乙烯（PEO）、PVA、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羟丙基纤维素（HPC）都是静电纺丝的良好的原料。通过改变pH、温度或者添加表面活性剂和其它溶剂（如乙醇）可以改变上述材料的水溶性。水溶性聚合物的静电纺丝纤维与水接触后降解迅速，这可能为生物医学方面的应用提供条件。目前应用最为广泛的原料主要是PEO和PVA[8]。生物可降解聚合物如脂肪族聚酯、聚酸酐和聚磷腈等，因为其生物可降解性而在生产、生活中有着广泛的应用前景，主要集中在药剂和生物工程的应用上。脂肪族聚酯（PLA）作为典型的生物可降解聚合物已经成功通过静电纺丝制