简易制备仿生多通道纳米纤维

1、LOGO简易简易法法制备仿生制备仿生多通道微纳米管多通道微纳米管 Center of Molecular Sciences, Institute of Chemistry, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080,P. R. China, Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, P. R. ChinaCompany Logoabstract自然界微纳米管道结构自然界微纳米管道结构 1制备纳米微管结构制备纳米微管结构2纳米微管结构应用及前景纳米微管结构应

2、用及前景3我的一点设想我的一点设想4Company Logov自然界的多通道微纳米管道结构自然界的多通道微纳米管道结构 1、许多植物的茎具有中空多通道微米管，这使其在保证足够强度的、许多植物的茎具有中空多通道微米管，这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水和养分；前提下可以有效节约原料及输运水和养分； 2、鸟类的羽毛具有多通道管状结构，这可以极大地减轻重量以及保、鸟类的羽毛具有多通道管状结构，这可以极大地减轻重量以及保温；温； 3、许多极地动物能够在严寒的环境中生存下来，也是因为其皮毛具、许多极地动物能够在严寒的环境中生存下来，也是因为其皮毛具有多通道或多空腔的微纳米管状结构赋予其

3、卓越的隔热性能。有多通道或多空腔的微纳米管状结构赋予其卓越的隔热性能。 Company Logov自然界的多通道微纳米管道结构 形态学解剖显示植物的茎的微米级别多通道微管Company LogoHot Tipv自然界的多通道微纳米管道结构 鸭子羽毛的纳米结构模型鸭子羽毛的纳米结构模型 鸭子羽毛的纳米网状微观结构鸭子羽毛的纳米网状微观结构 Company Logov自然界的多通道微纳米管道结构北极熊的每一根毛发都拥有中空结构Company Logo制备纳米微管结构的方法同轴静电纺丝法同轴静电纺丝法复合喷射电纺丝复合喷射电纺丝静电纺丝法静电纺丝法即聚合物喷射静电即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，是一拉伸

4、纺丝法，是一种制备直径种制备直径10 nm-10 m的超细单通的超细单通道纳米纤维的重要道纳米纤维的重要方法方法 基于静电纺丝法制基于静电纺丝法制备超长纳米管的方备超长纳米管的方法，制备的纳米管法，制备的纳米管为单通道为单通道可制备内部通道数可制备内部通道数目可控的多通道目可控的多通道TiO2微纳米管微纳米管 工艺工艺原理原理创新创新应用及前景应用及前景Company Logov静电纺丝法静电纺丝法此法使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴受电场力作用在一端封闭的毛细管Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发

5、,落在接收装置上固化，形成类似非织造布状的纤维毡。用静电纺丝法制得的纤维比用传统纺丝方法的细得多，直径一般在数十到上千纳米 Company Logov同轴静电纺丝法同轴静电纺丝法 基于静电纺丝法发展而来。由两个不同直径的同轴基于静电纺丝法发展而来。由两个不同直径的同轴毛细管组成的喷丝头，两种不同的液体，分别注入毛细管组成的喷丝头，两种不同的液体，分别注入毛细管的内层和外层，可制得纳米管或者核毛细管的内层和外层，可制得纳米管或者核-壳纳米壳纳米纤维。纤维。Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 工艺工艺 以三孔道微管（TCT）为例置于塑料注射器中三根金属 毛细

6、管放置与等边三角形的 三个顶点，作为内部液体通 道和电极两种不相溶粘性液体（inner &outer fluid）如图以适当的 流速注入不同的地方outer fluid:乙醇的 Ti(OiPr)4 和聚（乙烯基吡咯烷酮）溶 液 inner fluid:商业可用无公害 石蜡油经符合流体电纺丝工艺在另 一极获得纤维膜烘焙清除产品中的有机物Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 成品成品场发射扫描电子显微镜（SEM）获得的三通道微管侧视图（平均d=2.3um）透射电子显微镜（TEM） 内部通道是对应inner Fluid移除后的空缺Company Logo

7、v多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 成品成品Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 原理原理Outer fluid具有导电性能 ，接收板接地，加上电压后，聚合物溶液与接收板之间存在静电高压电场，电压升高，静电作用增大，克服液体表面张力作用通液滴由球状被拉伸为锥状，形成Talyor锥，其在高压电场作用下发生震荡，产生不规则螺旋运动，过程中喷射流被迅速分裂或单一细化，同时溶剂迅速挥发，外液迅速固化，在接收板上形成一定形态的聚合物纤维。 Inner fluid不导电，但受压于外部液体的活动，形成与外部液体形状互补的细丝Company Logov多液

8、体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 创新创新（同轴）静电纺丝法：局限于两种液体；不可用于产生 复合成分材料 多液体复合喷射电纺丝技术：通道可控，直径可控； 表面粗糙度可控；厚度可控；内部隔脊形态可控； 方法简单，前景良好； 独立标示通道；良好的机械稳定性；更大的表面积体 积比 复合组分的一维微/纳米材料；改变内部液体成分，可 获得多核-壳纳米纤维；不同成分纳米级尺度无相互反 应的结合在一起 Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 应用及前景应用及前景 纳米纤维最大的特点就是比表面积大导致其表面性能和纳米纤维最大的特点就是比表面积大导致其表面性能和

9、活性的增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、活性的增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等在化学、物理量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等在化学、物理(热、热、 光、电磁等光、电磁等)性质方面表现出特异性。纳米纤维广泛应用性质方面表现出特异性。纳米纤维广泛应用 在服装、食品、医药、能源、电子、造纸、航空航天等领在服装、食品、医药、能源、电子、造纸、航空航天等领 域。域。 Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 应用及前景应用及前景v 纤维纺织服装纤维纺织服装 国外近年来在纳米纤维服装方面的研究很活跃，报道也较多。如国外

10、近年来在纳米纤维服装方面的研究很活跃，报道也较多。如美国军队系统指挥部和阿克隆大学正在联手开发能用于服装的纳米纤美国军队系统指挥部和阿克隆大学正在联手开发能用于服装的纳米纤维材料，利用纳米纤维的低密度、高孔隙度和大的比表面积制作多功维材料，利用纳米纤维的低密度、高孔隙度和大的比表面积制作多功能防护服。这种纳米纤维织物具有很多微孔，能允许蒸汽扩散，既有能防护服。这种纳米纤维织物具有很多微孔，能允许蒸汽扩散，既有所谓可呼吸性，又能挡风和过滤微细粒子。对气溶胶的阻挡实现了对所谓可呼吸性，又能挡风和过滤微细粒子。对气溶胶的阻挡实现了对生物武器和化学武器及生物化学有毒物质的防护，而可呼吸性又保证生物武器

11、和化学武器及生物化学有毒物质的防护，而可呼吸性又保证了穿着舒适性。了穿着舒适性。 Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 应用及前景应用及前景v 碳纳米管碳纳米管 作为新的超级氢吸附剂是一种很有前途的储氢材料，它的出现将作为新的超级氢吸附剂是一种很有前途的储氢材料，它的出现将推动氢氧燃料电池汽车及其它用氢设备的发展，并有可能做成燃料推动氢氧燃料电池汽车及其它用氢设备的发展，并有可能做成燃料电池驱动车。随着能源危机和环境污染的日益严重，如何有效利用氢电池驱动车。随着能源危机和环境污染的日益严重，如何有效利用氢能成为解决这一问题的关键。但储氢环节一直没能突破。能

12、成为解决这一问题的关键。但储氢环节一直没能突破。1998年，年，美国美国Rdriiguez等报道纳米石墨纤维在等报道纳米石墨纤维在12 MPa下的储氢容量高下的储氢容量高达达23.33L(氢氢)g(纳米石墨纤维纳米石墨纤维)比现有的各种储氢技术的储氢比现有的各种储氢技术的储氢容量高容量高l-2个数量级。个数量级。 v Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 应用及前景应用及前景v 据最近出版的研究报告据最近出版的研究报告纳米纤维纳米纤维:技术与市场发展技术与市场发展称，全球纳米称，全球纳米纤维市场预计纤维市场预计2007年底将增加至年底将增加至4800万美元

13、，万美元，2005年市场值为年市场值为4020万美元，万美元，2006年已增加到年已增加到4320万美元，预计万美元，预计2012年将达年将达到到1.76亿美元，亿美元，2017年将增加至年将增加至8.25亿美元，复合年均增长率亿美元，复合年均增长率(CAGR)分别为分别为30%和和36%。纳米纤维销售额增长的推动力，主。纳米纤维销售额增长的推动力，主要来自这些材料在机械要来自这些材料在机械/化工行业的应用，尤其是制造业的过滤材料。化工行业的应用，尤其是制造业的过滤材料。仅过滤行业需求将由仅过滤行业需求将由2007年的年的3530万美元增加至万美元增加至2012年的年的1.276亿美元和亿美元

14、和2017年的年的5.217亿美元，复合年均增长率分别达亿美元，复合年均增长率分别达29.3 %和和32.5 %。增长最快的行业当属电子应用领域，将由。增长最快的行业当属电子应用领域，将由2007年的年的220万美元激增至万美元激增至2012年的年的720万美元，而万美元，而2017年将年将增加至增加至1.379亿美元，增长率分别为亿美元，增长率分别为42.7 %和和60.4 %。 Company Logov多液体复合喷射电纺丝技术多液体复合喷射电纺丝技术 应用及前景应用及前景v 另一个重要的行业是能源领域，将由另一个重要的行业是能源领域，将由2007年的年的790万美元，增加至万美元，增加至

15、2012年的年的2900万美元，到万美元，到2017年可能达到年可能达到1.163亿美元，复合亿美元，复合年均增长率分别达年均增长率分别达29.7 %和和32 %。纳米纤维传统定义为圆筒结构。纳米纤维传统定义为圆筒结构且外径小于且外径小于1000 nm和一个宽高比和一个宽高比(长度和宽度的比值长度和宽度的比值)大于大于50的的纤维材料。多年来，已开发的几种纳米纤维材料包括纤维材料。多年来，已开发的几种纳米纤维材料包括:高分子，碳，高分子，碳，陶瓷，玻璃，金属及复合材料。纳米纤维目前和潜在用途包括电子，陶瓷，玻璃，金属及复合材料。纳米纤维目前和潜在用途包括电子，机械，化工，传感器及仪器仪表，能源，医疗，生物工程，汽车，航机械，化工，传感器及仪器仪表，能源，医疗，生物工程，汽车，航空，散热和隔音设备，日用消费类品以及国防和安全等。空，散热和隔音设备，日用消费类品以及国防和安全等。 Company Logov我的一点设