（材料学专业论文）静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用.pdf

静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用 材料学专业 研究生姚永毅指导教师吴大诚 纳米科学技术是在l l o o n m 尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律 和性质的高技术学科。它的最终目标是直接可以操纵单原子，制造具有特殊功 能的机械和相关产品。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米尺度( 1 一l o o n m ) 的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所 组成的新一代材料。目前研究和生产最多的纳米材料是零维纳米材料，即纳米 微粒，例如纳米银粉，纳米二氧化钛及纳米碳酸钙等。与零维纳米材料的研究 相比，一维纳米材料研究要少得多。随着对纳米材料研究的深入，一维纳米材 料( 或纳米纤维) 的研究越来越受到研究者们的重视，成为目前纳米材料研究 的热点之一。纳米纤维是指直径处在纳米尺度范围( 1 l o o n m ) 内的纤维。另 外还可以将包含其他维纳米材料的常规纤维也看成是纳米纤维。近年柬，发展 了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸、模板聚合、相分离、自组织、静电纺丝 等。其中静电纺丝方法是目前唯- - f l e 够直接连续制备聚合物纳米纤维的一种直 接方法。在静电纺丝过程中，当聚合物溶液或聚合物熔体表面上的电力克服其 表面张力时，带电射流产生喷射。射流拉伸成一直线至一定距离，然后弯曲， 进而沿环形或螺旋形路径行走。静电力使射流伸长数千倍甚至数百万倍或分裂 几次，由于拉伸和分裂射流变得非常细。最后，溶剂挥发或熔体固化。结果所 得纳米纤维以无纺布的形式收集于与地线连接的金属板、缠绕器或其他收集器 上。 本文对国内外静电纺丝法制备聚合物纳米纤维的研究进行了系统分析，提 出设计和制造实验静电纺丝机的设想。通过设计，制造出标准静电纺丝机原型 机。在标准静电纺丝机原型机的基础上，发展了一种新型的静电纺丝机气涓 静电纺丝机。改进了标准静电纺丝机的喷丝头，增加了气流喷射系统。提出聚 合物纳米纤维的气流静电纺丝法。利用气流静电纺丝机制备出几种常舰的成纤 聚合物，如聚丙烯膪( p a n ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯醇( p v a ) 和聚砜( p s u ) 等的纳米纤维。以聚砜为模型聚合物，对气流静电纺丝法制备聚合物纳米纤维 时的工艺条件进行了系统的研究。研究结果表明：气流静电纺丝法与标准静电 纺丝法一样，能用于制备聚合物纳米纤维、且产量有明显的提高。其过程参数 对纳米纤维的直径有明显的影响。本论文的主要研究工作为： 1 首先设计和制造了标准静电纺丝机原型机。采用垂直式设计。它主要包 括高压系统、进样系统和收集系统。高压系统提供的高压静电压为0 7 0 0 k v ， 可无极调节。进样器采用针筒式活塞泵，能提供1 0 0 堙c m 2 的推动力，适应范 围宽，特别对粘度较高样品的静电纺也能进行。收集系统采用不锈钢网或板， 可根据需要更换。 对标准静电纺丝机原型机进行了改进。提出聚合物纳米纤维的气流静电纺 丝法。主要改进是在标准静电纺丝机的喷丝头上增加了气流喷射系统。对喷丝 头重新设计。与标准静电纺丝机的针头式喷丝头不同，新型喷丝头由导气口、 导样管、缓冲腔、毛细管和压板组成。压板底端有一个与毛细管同心的圆孔， 用于导出气流。 为了验证气流静电纺丝机在聚合物纳米纤维制备过程中的可行性。采用所 研制的气流静电纺丝机，对几种典型的成纤聚合物( 如：p a n 、p s 、p v a 、p s u ) 进行了静电纺丝实验。结果表明，所选聚合物均能在该机上制各出相应的纳米 纤维。 2 用p s u 作模型聚合物以气流静电纺丝法制备了直径范围在5 0 5 0 0 n m 之间的p u s 纳米纤维。对比了气流静电纺丝法和标准静电纺丝法在制备聚合物 纳米纤维过程中的差异。从收集器上纳米纤维的量来看，在相同的收集时间内， 气流静电纺丝法所得纳米纤维比标准静电纺丝法所得的纳米纤维要大几倍。这 为静电纺丝制备聚合物纳米纤维提供了一种扩大纤维产量的途径。还着重研究 了气流静电纺丝过程中，过程参数对纳米纤维直径的影响进行了系统的研究。 静电纺丝过程主要的过程参数有施加电压、喷丝孔与收集器之间距离和纺丝原 液浓度等。在实验条件下，随着电压从2 7 5 增加至4 5 0 k v 纳米纤维的平均直 径从2 5 0 r i m 降至1 5 0 n m 。当喷丝头与收集器之间的距离由 5 c m 增加至1 9 c m 时， p s u 纳米纤维的平均直径由3 0 0 r i m 减小至1 5 0 r i m 。p s u 在二甲基乙酰胺 ( d m a c ) 浓度为1 0 时，所得纤维的平均直径约为1 3 0 r i m ，当浓度增加至2 0 时，纤维直径相应地增大至2 5 0 n m 。研究表明：在静电纺丝过程中，过程参 数对所得聚合物纳米纤维直径有显著的影响。施加电压越高，纳米纤维直径越 小；喷丝头与收集器之间的距离越大，纳米纤维的直径越小；在能成纤的聚合 物浓度条件下，浓度越低，纳米纤维的直径越小。 3 采用扫描电镜( s e m ) 和原予力显微镜( a f m ) 对所制得的p s u 纳米 纤维形态进行了表征。从s e m 分析可以看出实验制各的p s u 纳米纤维较为均 匀。在2 5 0 0 倍的低放大倍数条件下，扫描电镜照片中的纳米纤维并不均匀，可 以明显地看到粗细纤维。但当将扫描电镜的放大倍数从2 5 0 0 提高到3 0 0 0 0 倍时， 可以看出粗纤维均是几根细纤维合并而构成的。利用原子力显微镜的更高分辨 率观察了电纺p s u 纳米纤维的表面形貌。从a f m 可以看出p s u 纳米纤维表面 为粗糙表面，粗糙程度为5 - 1 0 n m 。可以看出表面在纵向和横向上的波动，并可 看到表面横向沟槽，没有规律性。根据纳米纤维表面结构的观察，纤维内没有 微原纤维结构。 4 对气流静电纺丝法的纺丝过程作了简单的理论分析。聚合物溶液从喷丝 头挤出形成射流。射流所受到的作用力有：左、右两侧气体的拉伸力；重力场 对液滴的作用；静电拉伸力；轴向加速运动所需克服的惯性力；需克服的液滴 表面张力；空气对运动着的液滴表面产生的摩擦阻力；纺丝液在喷丝孔出口处 作轴向拉伸流动时所克服的流变阻力。由于聚合物在离开毛细管孔后的流变行 为强烈依赖于高速气流拉伸，这种开放式气流运动通常会造成被拉伸纤维的力 学波动，破坏力学平衡，造成纤维多次分裂，形成均匀的细纤维。 5 聚合物纳米纤维具有许多独特性质，可以广泛应用于组织工程、人造器 官应用、药物传递、创伤修复、过滤、农药喷施及太空用产品等。修复用无纺 纳米纤维纺织品( 膜) 的孔径通常为5 0 0 n m 至1 岫，该孔径足以阻挡细菌和灰 尘对创伤的感染。纳米纤维在过滤器中使用，可从液体或气体中除去小于1 0 0 r i m 的颗粒和微滴。野外纺成的纳米纤维可以通过静电力和空气流组合对准植物， 几乎以1 0 0 的效率粘附于植物。有可能实现在太空中电纺聚合物纳米纤维，制 造成面积很大的薄片，作为其他大规模结构可延展的部件。随着大规模生产纳 米纤维的方法和设备的进一步研究和开发，其应用领域将不断扩大，其前景光 明。 6 纳米纤维在过滤中的应用可能是最容易的领域之一。对正在使用的分离 膜的深入了解，给用纳米纤维改造分离膜的性能打下基础。膜过滤可以应用到 许多化工分离单元、水处理和生物分离等。设计并制造了一台集成化膜法水处 理装置。将集成化膜技术应用于高含盐量的苦咸水脱盐。采用集成化膜法对不 同含盐量的苦咸水进行了脱盐淡化实验，淡化过程中，系统运行稳定；系统的 脱盐率在9 6 以上，同时回收率大于6 5 ；水质分析结果表明，淡化水水质达 到国家生活饮用水标准g b 5 7 4 9 8 5 。该集成化膜法苦咸水淡化实验装置具有较 强的适应性。可根据原水的水质情况，调整运行参数来可实现对不同含盐量的 苦咸水连续进行处理。该装置高度集成化，可望成为定型的成套设备。 关键词：纳米纤维，静电纺丝法，标准静电纺丝机，设计，气喷，气流静电 纺丝法，气流，静电纺丝机，聚砜，过程参数，喷丝头，应用，集成 化膜过程，水处理，苦咸水淡化 p o l y m e r i cn a n o f i b e r sm a d e b y e l e c t r o s p i n n i n g a n dt h e i ra p p l i c a t i o n m a t e r i a l o g y g r a d u a t ey a oy o n g y is u p e r v i s o r w u d a c h e n g n a n o m e t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi s ah i g h t e c hw h i c hi n v e s t i g a t et h em o t i o n l a w sa n d p r o p e r t i e so f e l e c t r o n ，a t o ma n d m o l e c u l ei nt h en a n o s c a l e i ti st h ea i m o f n a n o t e c h n o l o g yt h a tt h ef u n c t i o n a lm a c h i n e sa n dr e l a t i v ep r o d u c t sa r ep r e p a r e d b y c o n t r o l l i n g t h es i n g l ea t o m t h ed e f i n i t i o no f n a n o m a t e r i a li st h a ta tl e a s to n e o ft h r e e d i m e n s i o no ft h e m a t e r i a li si nn a n o - s c a l e t h e m o s tw o r k sa n dp r o d u c t s i n n a n o m a t e r i a li sn a n o p a r t i c l e s ，az e r od i m e n s i o nn a n o m a t e r i a l t h er e s e a r c ho f o n e d i m e n s i o nm a t e r i a li sl e s st h a nt h a to f z e r od i m e n s i o nn a n o m a t e r i a l t h ei n t e r e s t so f r e s e a r c h e r si sm o r ea n dm o r ef o c u s o no n ed i m e n s i o nm a t e r i a l ，n a n o f i b e r r e c e n t l y , t h e r e a r em a n ym e t h o d ss u c ha sd r a w i n g ，t e m p l a t es y n t h e s i s ，p h a s e s e d a r a t i o n ，s e l f - a s s e m b l y , e l e c t r o s p i n n i n g ，e t c d e v e l o p e d t op r e p a r et h en a n o f i b e r s t h ee l e c t r o s p i n n i n g i sad i r e c tm e t h o dt oc o n t i n u o u s l yp r e p a r e t h e p o l y m e n c n a n o f i b e r sa n dt ob ef u r t h e rd e v e l o p e d f o rm a s s p r o d u c t i o n o f o n e 。b y o n en a n o f i b e r s i n e l e c t r o s p i n n i n g ，w h e n t h ee l e c t r i c a lf o r c eo v e r c o m e s t h es u r f a c et e n s i o no t d o l y m e rs o l u t i o no rm e l t ，t h ec h a r g e dj e ti se j e c t e d t h ej e t i sd r a w ni nal i n ef o r s o m ed i s t a n c e ，t h e nb e n d s ，f o l l o w e d al o o p i n ga n ds p i r a l i n gr o u t e t h ej e ti sd r a w i n g s e v e r a lm i l l i o n st i m e so rs p i t t i n gs e v e r a lt i m e s a n dt h e j e tb e c o m ev e r y t h i n f i n a l l y , t h es o l v e n te v a p o r a t e so rt h em e l ts o l i d i f i e s t h en a n o f i b e r sr e a c ht h e c o l l e c t o ri n n o n - w o v e nf a b r i c t h i st h e s i sa “踟e d an o v e li d e a l o f e l e c t r o s p i n n i n g t h e s t a n d a r d v e l e c t r o s p i n n i n gp r o t o t y p es e t u pw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d b a s e do n t h es t a n d a r d s e t u p ，a n e wt y p e s e t u p o fe l e c t r o s p i n n i n gw a sd e v e l o p e d ，t h a t i st h e g a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n gs e t u pw h i c hs p i n n e r e tw a si m p r o v e db ya d d i n gag a sj e tp a r t s e v e r a lc o n v e n t i o n a l p o l y m e r i c n a n o f i b e r sw e r em a d e b yg a s - j e t e l e c t r o s t a t i c s p i n n i n g t a k i n gt h ep o l y s u l f o n ea sa m o d e lp o l y m e r , t h ep r o c e s sc o n d i t i o n sw e r e s t u d i e di nt h ee l e c t r o s p i n n i n g t h er e s u l tw a s t h a tp o l y m e r i cn a n o f i b e r sw e r em a d e b yg a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n ga st h es a m e a st h es t a n d a r de l e c t r o s p i n n i n g a tt h e s a m et i m e ，t h ep r o d u c t i o no ft h en a n o f i b e r s w a sh i g h e ri n g a s - j e t e l e c t r o s t a t i c s p i n n i n gt h a ni n s t a n d a r de l e c t r o s p i n n i n g t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c t e do nt h e d i a m e t e ro fn a n o f i b e r s t h e p r o t o t y p es t a n d a r de l e c t r o s p i n n i n gs e t u p w a s d e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e di n v e r t i c a lf o r m i tw a sc o m p o s e do ft h es y s t e mo fh i g hv o l t a g e e l e c t r i c a ls o u r c e ， s o l u t i o ni n p u ta n dc o l l e c t o r t h ev o l t a g es u p p l i e db yt h e e l e c t r i c a ls o u r c ew a s 0 - 7 0 0k v ，t h ep o w e ro fi n j e c t i o np u m pw a s1 0 0k g c m 2 a n dt h em a t e r i a lo f c o l l e c t o rw a ss t a i n l e s ss t e e lp l a n eo rw e b t h es t a n d a r de l e c t r o s p i n n i n gm e t h o dw a si m p r o v e da n dt h eg a s - j e t e l e c t r o s t a t i c s p i n n i n gw a sp u tf o r w a r d a n e w s p i n n e r e tc o m b i n e d a g a sj e to r i f c ew a sd e s i g n e d t h i sn e w s p i n n e r e t w a sm a d eo f g a sc a n a l ，s o l u t i o nc a n a l ，g a s b u f f e ra n d c a p i l l a r y t h eg a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n gw a sv a l i d a t e db ys p i n n i n gt h en a n o f i b e ro f s e v e r a lp o l y m e rs u c ha sp a n 、p s 、p v a 、p s u t h e r e s u l tw a st h en a n o f i b e r so f t h e s e p o l y m e r s c o u l db ep r e p a r e d t h en a n o f i b e ro f t h ep o l y s u l t b n e ( p s u ) a st h em o d e lp o l y m e r w a sm a d eb yt h e g a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n g t h e d i a m e t e r so fp s u w e r ef r o m5 0 n mt o5 0 0 h m t h e d i 航r e n c eb e t w e e nt h es t a n d a r de l e c t r o s p i n n i n ga n d t h eg a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n g w a s c o m p a r e dd u r i n g t h e e l e c t r o s p i n n i n gp r o c e s s t h e p r o d u c t i o n o ft h e g a s - j e t e l e c t r o s t a t i cs p i n n i n g w a ss e v e r a lt i m e sl a r g e rt h a nt h a 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e rw a sn o tu n i f o l t n ，b e c a u s et h et h i n n e rf i b e rw a sc o m b i n e d t ot h et h i c k e rf i b e r t h es u r f a c eo fn a n o f i b e rw a sn o tg l a z e t h es u r f a c em o r p h o l o g y o fn a n o f i b e rw a sa l s oo b s e r v e db yh i g hr e s o l v i n gp o w e ra f m f r o ma f m ，t h e s u r f a c eo fp s un a n o f i b e rw a sc o a r s ew i t ht h ed e g r e eo f5 - 1 0 n m t h ec o n c a v ea n d p r o t r u d i n gf r a m e sc o u l d b eo b s e r v e d t h e s ef r a m e w o r k sw e r er a n d o m t h e s i m p l e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o ft h e s p i n n i n gp r o c e s s i nt h e g a s - j e t e l c t r o s p i n n i n gw a sm a d e t h e t h r e a dw a si nt h em a n yf o r c e ss u c ha ss t r e t c h e df o r c e s o f g a sj e ta n d e l e c t r i c a lf o r c e s ，i n e r t i aa l o n ga x i s ，s u r f a c et e n s i o n ，f r i c t i o nf o r c e ，a n d r h e o l o g y b e c a u s et h er h e o l o g y b e h a v i o ro fp o l y m e rl e a v i n gt h eo r i f i c eo ft h e c a p i l l a r y w a ss t r a n g e l y d e p e n d e d o nt h e h i g h s p e e dd r a w i n g o ft h e g a s ，t h e m e c h a n i c sf l u c t u a t i o no fd r a w nf i b e rw a sl e a db yo p e ng a sc u i t e n t t h ee q u i l i b r i u m o f m e c h a n i c sw a sb r o k e n s p i t t i n gf o r m e dt h et l l i nf i b e r n a n o f i b e r sw i t hs om a n yp e c u l i a rp r o p e r t i e sa r eb e i n gc o n s i d e r e df o ru s ei n t i s s u ee n g i n e e r i n g ，a r t i f i c i a lo r g a n a p p l i c a t i o n ，d r u gd e l i v e r y , a n df o rw o u n d d r e s s i n g t h e ya r ea l s ob e i n gu s e d i n f i l t r a t i o n ，a g r i c u l t u r e ，a n do u t e r s p a c ea p p l i c a t i o n n o n w o v e nn a n o f i b e rm e m b r a n e sf o rw o u n dd r e s s i n gh a v ep o r es i z er a n g i n gf r o m 5 0 0 n mt o 1 a m ，s m a l le n o u g ht op r o t e c t t h ew o u n df r o mb a c t e r i a l p e n e t r a t i o n n a n o f i b e r su s e di nf i l t e r sc o u l dr e m o v et h ep a r t i c l e sa n dd r o p l e t ss m a l l e rt l a n l o o n mf r o ml i q u i d so rg a s e s n a n o f i b e r ss p u ni nt h ef e l da n dd i r e c t e do n t op l a n t sb y c o m b i n a t i o no fe l e c t r i c a lf o r c ea n da i rs t r e a m sw i l la t t a c ht ot h ep l a n t sw i t hn e a r l y 10 0 e f f i c i e n c y i ti sf e a s i b l et oe l e c t r o s p i np o l y m e rn a n o f i b e r si ns p a c et oc r e a t e t h i ns h e e t sw i t hl a r g ea r e a s ，a n da st e n s i l em e m b r a n e so fo t h e rl a r g e s c a l es t m c 札t r e t h em a s sp r o d u c t i o no fn a n o f h e r sw i l lb ef u r t h e rd e v e l o p e d t h ef u t u r ef o r n a n o f i b e r sl o o k sb r i g h t t h en a n o f i b e r si se a s i l yu s e df o rf i l t r a t i o n b e c a u s eo ft h eb a s et oi m p r o v et h e s e p a r a t i o nm e m b r a n e m a t e r i a l sb yn a n o f i b e r s ，t h em e m b r a n eu s e di nn o w a d a y sm u s t a c q u i r ed e t a i l e dk n o w l e d g e t h em e m b r a n ep r o c e s s e sa r ew i d e l yu s e df o rm a n y s e p a r a t i o nu n i t s ，w a t e r t r e a t m e n ta n db i o s e p a r a t i o n t h e i n t e g r a t e d m e m b r a n e e q u i p m e n tw a sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d i tw a sa p p l i e df o rd e s a l i n a t i o no f b r a c k i s hw a t e r t h i sm e m b r a n es y s t e mr l n s s t e a d i l yi nt h ep r o c e s s t h er a t e so f d e s a l i n a t i o na n dr e c o v e r yw e r ea b o v e9 6 a n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l tw a s t h a tt h ep u r i f i e dw a t e ra c h i e v e dt h en a t i o n a lq u a l i t ys t a n d a r d ，g b 5 7 9 4 8 5 k e yw o r d s ：n a n o f i b e r s ，e l e c t r o s p i n n i n g ，e l e c t r o s p i n n i n gs e t u p ，d e s i g n ，g a sj e t ， g a s j e t e l e c t r o s p i r m i n g ，g a s j e t e l e c t r o s p i n n i n gs e t u p ，p o l y s u l f o n e ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ， s p i n n e r e t ，a p p l i c a t i o n ，i n t e g r a t e dm e m b r a a ep m c e s s e s ，w a t e rt r e a t m e n t ，b r a c k i s hw a t e r 四川大学博士学位论文 1绪论 1 1 引言 2 0 世纪中叶诺贝尔物理奖获得者r i c h a r def e y n m a n 在美国物理年会上作 了极富预见性的报告：若从原子和分子水平上控制物质，将会出现新的作用力 和新的效应【”。可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿， 逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。此后，日本率先 开展了纳米物理和纳米化学的研究。k k i m o t o 利用t e m 研究了结品行为，从 而提出了“超细粒子结构”的新概念，即颗粒尺寸小于1 0 0 n m 的结构，具有小 尺寸、表面与界面和量子尺寸三大效应。2 0 世纪7 0 年代c h a y a s h 研究了纳米 粉体的性质、生产方法以及在物理、化学、生物领域中的应用。从而诞生了“纳 米技术”。纳米技术是在2 0 世纪8 0 年代后期、9 0 年代初起得到了急速发展，逐 步发展成为一个新兴的学科领域。被公认为是2 1 世纪的新兴技术前沿【2 】。 纳米与千米、米和厘米一样，是一个长度单元，其英文是n a n o m e t e r ，i i r n o 音译为“纳”，记为t i n l 。英文中的前缀1 3 r r l o 是十亿分之一的意思，一纳米是 1 0 一m ，是1 0 倍原子直径，万分之一头发粗细。 在研究客观世界的过程中，班人类的视觉为标准将客观世界划分为宏观世 界和微观世界。随着科学技术的迅猛发展，人类观测的视野朝着宏观和微观两 个方面不断延伸。迄今，人类能观测到的物质，最大为宇宙，最小为夸克。 在对客观世界的探索中，不管是对宏观世界还是对微观世界的研究均取得了辉 煌的成就。例如，人们用望远镜观察到月亮的细节，后来则出现大型天文望远 镜及射电望远镜等，可以微察到更大尺度的宇宙。另一方面，正常人类的视觉 分辨率典型的为0 1 m m ，因此当开始用放大镜和显微镜去观察小尺寸的物体时， 在人们面前出现的是奇妙的微生物世界，继而出现了电子显微镜和x 射线仪等， 又使人们可以深入到尺寸la 的原子世界。整个人类对大自然的认识史，可以 概括为向其大尺度和深度小尺度世界不断探索的历史。 在用空间尺度划分的微观世界和宏观世界的研究过程中，科学家们发现在 微观尺度和宏观尺度之间的物质具有的性质令人惊奇。在这个空间内。存在的 原子和分子为数不多，却存在着一块近年来才吸引一大批科学家极大兴趣和探 索研究的n 处女地”，在这个研究领域里，既不同于原子和分子这样的微观起点， 又不同于现实宏观物质领域，它正好介于微观和宏观之间，科学家们把它称之 绪论 为”介观物理”。这一领域的研究随着8 0 年代扫描隧道显微镜和原子力显微镜的 出现发展迅猛的态势。从而可能用这些新型的仪器设备实现在原子和分子水平 上操纵物质，进一步可以探索合成新物质。在1 - 1 0 0 h m 这样的尺度范围，正在 兴起一股大规模研究的热潮，远远超出了物理学，甚至可以说席卷了整个科技 领域。可以预计纳米科技将引起人类的生产和生活发生革命性的交化。 1 9 9 0 年在美国举办了第一届国际纳米科学技术会议，这标志着在1 l o o n m 尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和性质的纳米科学技术趋于成熟。 1 9 9 1 年发现了碳纳米管，质量比钢小6 倍，而强度却比钢大1 0 倍。1 9 9 7 年美 国成功地移动了单个原子，该技术可望用于量子计算机。1 9 9 8 年德国以建立了 6 个纳米研究中心。 纳米科技的最终目标是直接可以操纵单原子，制造具有特殊功能的机械和 相关产品。它与许多传统基础和工程学科相互交叉，形成了纳米物理学、纳米 电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学、纳 米力学、纳米化学、纳米材料学和纳米加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米尺度( 1 一l o o n m ) 的材料， 它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。 由于其组成单元的尺寸小，界面占有相当大的成分。因此纳米材料具有多种特 点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的 许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次。它是联系原子、 分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米 粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的 非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微 观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按空间维分为不同维数的材料，主要有零维、一维和二维纳米材 料。零维纳米材料是指该材料在空间三维上尺寸均为纳米尺度，即是纳米颗粒， 原子团簇等。一维纳米材料是指该材料在空间二个维度上尺寸为纳米尺度，即 是纳米丝、纳米棒、纳米管等，或统称纳米纤维。= 维纳米材料是指该材料只 在空间一个维度上尺寸为纳米尺度，即是超薄膜、多层膜、超晶格等，超薄的 织物可视为二维纳米材料。 目前研究和生产最多的纳米材料是零维材料，即纳米微粒，例如纳米银粉， 四川火学博士学位论义 纳米二氧化钛及纳米碳酸钙等。与零维纳米材料的研究相比，一维纳米材料研 究要少得多。随着对纳米材料研究的深入，一维纳米材料的研究越来越受到研 究者们的重视，成为目前纳米材料研究的一大热点。 1 2 纳米纤维 1 2 1 纤维 纤维通常是指任何植物的、动物的、再生的、合成的或矿物的短纤维和长 丝。纤维的基本几何特征是直径通常较细长度与直径比值较大。同时纤维一般 具有柔软性，组成纤维的材料均有一定的弹性回复性。常规纤维可分为天然纤 维和人造纤维。 天然纤维在几千年前就被人类广泛应用，主要用于纺织品的制造。顾名思 义，天然纤维是由植物或动物产生的。动物纤维，如羊毛、羊绒和蚕丝等主要 来源于动物皮毛或蚕茧。植物纤维主要产生于植物的花、叶、茎和果实等( 如 棉花) 。 另一方面，人造纤维通常是由合成聚合物或再生天然聚合物制成。合成纤 维的发明是2 0 世纪2 0 3 0 年代开始的。1 9 3 4 年德国投产试制了氯化聚氯乙烯 纤维。1 9 3 5 年尼龙6 6 在美国问世。此后制备纤维的新材料和新方法不断涌现。 到2 0 世纪5 0 至6 0 年代，合成纤维以具有相当大的规模。 合成纤维制