納米纖維
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
納米纖維的實例教程
多糖和蛋白質納米纖維是地球上最主要的兩種生物聚合物納米纖維，具體包括纖維素納米纖維、甲殼素納米纖維、絲納米纖維、膠原納米纖維和明膠納米纖維。生物聚合物納米纖維的制備方法主要包括：生物材料納米解纖、從小分子中生物合成和靜電紡絲。隨后，文章重點介紹了使用不同生物聚合物納米纖維作為基本構筑單元開發納米發電機的研究進展。生物聚合物納米纖維可以通過直接利用/化學改性/復合活性單元等方法來制備薄膜、納米紙、氣凝膠、泡沫等，用于納米發電機開發；通過設計使塊體材料具有優化的孔尺寸、孔結構、粗糙度、納米纖維有序排列或堆疊、復雜結構等，以進一步優化并提升納米發電機的性能和功能。近年來，生物聚合物納米纖維除了被用于研發摩擦納米發電機和壓電納米發電機外，也被逐步應用在利用濕氣或滲透能發電的發電機領域。
生物聚合物納米纖維的開發和利用在納米發電機領域具有很大的潛力，但進一步優化納米發電機的性能和功能仍面臨著許多挑戰。如何利用更有效的方法開發不同種類的生物聚合物納米纖維，如何對生物聚合物納米纖維進行化學改性引入更多類型的活性基團，如何制造更多類型生物聚合物納米纖維衍生塊體材料用于各種類型的納米發電機開發等，仍有待于后續深入研究。
原文鏈接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/1843061/
相關進展
東北林業大學陳文帥教授：植物細胞壁納米結構與納米纖維素的化學純化處理結合機械解纖法制備
中科院納米能源所王中林院士和楊亞研究員《Sci. Adv.》
展開 2、本綜述總結了不同噴絲頭設計對于所制備得到的納米纖維膜的化學性質及物理形貌的影響。
圖二、噴絲頭設計及其對納米纖維膜性能的影響
3、本綜述將納米纖維膜的后處理分成了三大類，并分別對其改性方法、改性目的及其作用進行了詳細闡述，其中包括單根納米纖維內部改性、單根納米纖維表面改性、納米纖維膜表面涂敷。
圖三、納米纖維膜改性方法：
A.（1）將納米粒子嵌入納米纖維中；（2）混合聚合物納米纖維制備；（3）核殼結構納米纖維制備；B. 單根納米纖維表面改性；C. 納米纖維膜表面涂敷。
4、本綜述針對不同的膜過程中納米纖維膜的研究現狀及其存在問題進行了論述。
在微濾過程中，納米纖維膜可有效去除微米級顆粒物并獲得極高通量。但膜污染現象嚴重，顆粒物容易在納米纖維膜表面或膜孔徑內沉積，導致膜通量的大幅降低。在超濾及納濾中，納米纖維膜需通過界面聚合的方法在其表面上涂敷一層超薄的致密選擇層。通過對選擇皮層的控制可有效截留蛋白質、有機物、二價鹽等。在超濾及納濾過程中，納米纖維膜的抗污染性能，以及高操作壓力下納米纖維膜的穩定性及機械強度有待于進一步加強。近些年，通過納米纖維基體制備正滲透及壓力延遲滲透膜也是一項研究熱點，其主要的挑戰在于如何在納米纖維粗糙表面通過界面聚合方法制備表面聚酰胺層，及聚酰胺層在長期使用過程的穩定性、如何改善納米纖維基體的機械強度，使其在高壓應用下不失去原有的高孔隙率。另外，也有研究工作將納米纖維膜用于膜生物反應器中，并研究了納米纖維的親疏水性以及納米纖維尺寸對膜效率的影響。由于納米纖維膜的高表面粗超度，由疏水材料制備的納米纖維膜通常具有更高的表面接觸角，因此更適用于膜蒸餾過程。
展開 納米顆粒通常具有與本體材料不同的光學，電學，磁學或催化性質。然而，通常納米顆粒的團聚會嚴重影響這些特殊的納米特性，因此，使納米顆粒相互分開，可以長時間地穩定其性能。
加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉電極上會形成多個泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進行。具有CDP納米顆粒的纖維會大面積地沉積到收集電極上。
圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
展開 碳納米纖維材料因具有高的比表面、優異的機械性能及高電導率等優異的物理性質而受到廣泛關注，在能源、催化、環境、聚合物等領域具有廣泛的應用前景。目前針對特定應用的功能化碳納米纖維材料的理性設計合成及性能優化，仍然是制約其實際應用的瓶頸。特別是，廉價、宏量、可持續制備碳納米纖維氣凝膠尚未實現。
近日，中國科學技術大學俞書宏研究團隊提出了一種催化熱解的方法來改變木質納米纖維素的熱解過程，首次以廉價的木材為原材料制備了高質量的超細碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發表在《德國應用化學》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。
基于木質納米纖維素制備超細碳納米纖維氣凝膠材料
纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來源、低成本以及對環境的友好，木質纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅物。但是，因為木質纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過程中劇烈收縮而無法保持纖維的形態，迄今為止尚沒有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過使用對甲苯磺酸催化木質納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過程和中間產物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產率的同時，還能夠保持很好的三維網狀結構。該催化熱解轉化方法可將廉價豐富的自然界中的前驅物材料轉化為高附加值的碳納米纖維材料，對于發展可再生材料的綠色化學合成具有指導意義。
由該方法制備的超細碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導率（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。
展開 上海科技大學凌盛杰課題組和合作者以蠶絲蛋白的高含鹽溶液及石墨烯為基本原料，采用一種高效的氣流輔助靜電紡絲方法，制備出了具有優異阻燃效應和火情預警功能的蠶絲納米纖維/石墨烯多功能電子皮膚。近日，該成果以“Electro-Blown Spun Silk/Graphene Nano-Ionotronic Skin for Multifunctional Fire Protection and Alarm”為題，發表在Advanced Materials期刊上。
納米纖維材料因其具備的可設計行強、透氣性好、可穿戴性能好等特點而在電子皮膚制備中受到廣泛關注。通常使用的靜電紡絲方法容易受到溶液導電性的影響，從而使得生產效率較難進一步提升。因此，研究團隊在電紡絲的基礎上，通過加入氣流輔助對紡絲射流進行強行糾偏與牽伸，從而實現了絲蛋白納米纖維的高速制備，其紡絲效率為同等條件下靜電紡絲的5-10倍。同時，作者選擇了環境友好、加工性好及物理機械性能可調節的絲蛋白作為主體材料，通過在紡絲過程中引入石墨烯和鈣離子實現材料的環境響應靈敏度與阻燃性的增強。最終可快速制備具有多級結構的絲蛋白納米纖維膜（圖1）。
圖1 基于蠶絲蛋白納米纖維的離子導體電子皮膚材料制備
氣流輔助式電紡絲方法所制備的多級結構納米纖維膜內部結構具有良好的濕度響應性能，可在濕度誘導下通過改變纖維膜內部纖維之間的結構實現其力學性能的調控。同時，所制備的納米纖維膜在濕度誘導下還可實現在木片、塑料、紙片等界面的粘附，其黏附牢度與商用雙面膠相當（圖2）。
展開 
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納米纖維的最新內容
、碳纖維短纖、石墨烯導熱膜、金剛石材料等
相變材料（儲熱）：石蠟、脂肪醇、脂肪酸、烷烴基合金；熔鹽、鹽水合物、共晶混合物等
隔熱材料：氣凝膠材料（碳基、二氧化硅、二氧化鋯、氧化鋁等）、碳氈、復合硅酸鹽材料等
導熱散熱組件：
熱管/均熱板，覆銅板，功率器件（碳化硅、氮化鎵、氧化鎵、MOSFET、IGBT）及模塊等
散熱風扇配件：銅、鋁制品、鋁器材、散熱型材、鐵散熱片、鈑金
█展品范圍：
工業鉆石、超硬材料及制品展區
1、工業鉆石應用端：培育鉆石、金剛石晶體、金剛石復合材料、金剛石微粉及磨料、金剛線、金剛石薄膜和厚膜 /DLC 涂層、氧化鋁、石墨負極材料、硅碳負極、碳納米管、碳納米管纖維、碳纖維及碳纖維復合材料、炭/炭復合材料、活性炭、超級電容炭、多孔碳、碳氣凝膠、碳分子篩、碳化硅半導體材料、富勒烯、立方氮化硼及其微粉、PDC、PCD、PCBN、CVD 金剛石、
展示范圍：
汽車塑料與復合材料展區
原材料：纖維、熱塑性樹脂、聚碳酸酯樹脂、橡膠/熱塑性彈性體、碳納米纖維、陶瓷、碳纖維增強塑料、輕質玻璃、熱塑性樹脂等；
零部件及模塊：使用樹脂材料的汽車零部件（車身外板、外飾件、內飾件、動力總成部件、燃油部件、電氣部件、電池/逆變器外殼）等；
汽車材料連接技術：激光連接、超聲波連接、摩擦連接、擴散連接、粘接、連接強度測試、分析工具等；
高強度鋼板、高強度冷軋鋼板、鋁合金、鎂合金、鈦合金等；
----汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案、汽車用齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、汽車用硅鋼等；
----汽車用鋁及鋁制零部件展示區：鋁鑄鍛件、鋁制車身及部件、鋁車輪、鋁制部件、制造裝備等；
2、汽車塑料與復合材料：碳纖維增強塑料、熱塑性樹脂、熱固性樹脂、聚碳酸酯樹脂、橡膠/熱塑性彈性體、碳納米纖維
作者首先追溯了二維膠體的歷史，探討了在液晶研究背景中二維納米材料纖維的概念，詳細闡述了制備的動機、原理和可能的策略。然后文章重點關注了石墨烯纖維的出現、發展和應用。此外，二維納米纖維的最新進展以及未來發展趨勢也被概括描述。
(a) MXene/PINF氣凝膠在環境溫度下的導熱系數； (b) MXene/PINF氣凝膠的紅外圖像；(c) 用酒精火焰加熱的非洲百子蓮照片；（d）不同氣凝膠（ANF：芳綸納米纖維；NF：納米纖維；CS：殼聚糖；MT：蒙脫石；CNT：碳納米管；CNF：纖維素納米纖維）的隔熱性能比較。
★ 平臺聲明
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最近的研究表明，通過有機酸剝離得到的PBO納米纖維(PNF)可以保留PBO纖維優異的力學性能和耐熱性。
通過對具有氫鍵和π-π相互作用的石墨烯納米片/芳綸納米纖維(GNS/ANF)復合水凝膠網絡進行平面內拉伸，抑制了石墨烯納米片在干燥過程中由于毛細作用力導致的向內收縮，消除了石墨烯納米片的褶皺并使之在平面內高度取向排列，從而產生了快速的面內熱傳遞通道。
作為概念驗證，選擇芳綸納米纖維(ANFs)和聚乙烯醇(PVA)作為氣凝膠的主要成分，其中PVA在第一次凝膠化過程中形成彈性的構型可編輯凝膠網絡，ANF在第二次凝膠化過程中形成構型鎖定凝膠網絡。TC策略保證了所制備的ANF-PVA (AP)氣凝膠既具有高韌性，又具有構型編輯能力。綜上所述，通過軟-硬調制得到具有特殊構型的堅韌氣凝膠，為突破氣凝膠的性能限制，拓展氣凝膠的應用領域提供了巨大的機會。
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成果掠影
近期，東華大學丁彬教授和張世超研究員團隊針對開發具有優異保溫性能的氣凝膠納米纖維膜取得最新進展。該文通過非均質靜電紡絲和水分誘導溶液鑄造相結合的策略來創建分層細胞結構的氣凝膠微/納米纖維膜(CAMMs)，以實現舒適的抗風保暖。
