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              米纤维由于通常在宏观上表现为膜或毛毡等形态,因此是最容易被直接应用的一种纳米材料。静电纺丝就是迄今为止最为直接有效的制备纳米纤维工艺。静电纺丝过程是指通过电场对聚合物的溶液或者熔体液滴施加高压静电力,当电场力克服了溶液或熔体液滴的表面张力时,液滴沿着电场力方向变形,最终形成喷射流,喷射流在空中发生鞭动和劈裂效应并固化成纤维,最终在电极上无规沉积形成纤维膜。

              关于静电纺丝工艺的专利最早发表于19世纪末,但在当时并没有引起人们的足够重视。直到1990年左右,在全世界兴起的纳米科学研究热潮中,静电纺丝作为一种方便、快捷制备纳米纤维材料的方法引起了科学家的浓厚兴趣。至今,在20多年的时间里,关于静电纺丝的的学术论文和专利成果数量逐年递增,研究内容也从起初的可行性探索扩展到制备工艺、纤维性能、纤维功能化、理论研究等各个方面。所得到的纳米纤维由于具备了传统材料不具有的优良特性,因此在很多领域的得到了应用,比如药物控释、组织工程支架、创伤敷料、传感器、隔离膜、过滤材料等。其中,利用静电纺丝工艺制备的过滤材料已经在国外产业化,并广泛应用于各个领域,性能大大优于传统过滤材料。

              尽管如此,我们认为现有的纳米纤维过滤材料是纳米纤维性能优越性的一个例证。但是关于纳米纤维过滤材料的研究还不够,并且缺乏理论指导。片面的研究就如同盲人摸象,最终结果不仅不能提高现有产品的性能,反而增加了制备和原料的成本,使得整个纳米纤维过滤材料产业陷入低谷。

              在纳米材料的研究中,结构与性能的关系是永恒的主题。其前提是要有一套科学可靠的研究方法和分析表征技术。现在,仪器表征手段非常先进,但是使用在纳米纤维材料上仍然具有很多局限性。

              首先,例如,扫描电镜是观察材料表面微观形貌的通用方法。几乎所有对电纺丝纳米纤维的研究都使用扫描电镜作为最主要甚至是唯一的表面结构表征方法。然而,扫描电镜在微观形貌观察时的局限性主要体现在其本身电子束二次成像原理导致的对表面形态的错误的反映。在百纳米尺度的表面上,底部带有直角的矩形沟槽往往被反射的电子束呈现为圆弧形凹槽。这就掩盖了材料的一个重要结构特征,使得多种不同结构的材料在扫描电镜下观察得到了类似的结果。在过滤材料中,往往需要将纤维制备成异形纤维(截面非圆形),以便提高其过滤效率或者降低流动阻力。以往熔喷过滤纤维的尺度在10微米左右,其异形结构基本可以被扫描电镜真实反应。但是到了百纳米尺度,这一结构细节就很可能因为测试方法的不足而被掩盖。结果就是没有研究出材料性能差异的根本原因,并很可能把这种差异主观的归结到其他因素上。

              第二,对纳米纤维强度和模量仍然没有建立起公认的表征方法。似乎过滤材料并不是像碳纤维那样作为结构材料使用,但是滤材在工作环境中往往受到很大的交变应力作用,不同材料或同种材料在不同温度环境下使用时,会产生不同的形变,导致最终过滤材料的孔隙尺度并不是我们在静态条件下所观察测量得到的。虽然我们可以用DSC测材料的Tg,用DMA测材料的动态力学性能G’G’’,并预测使用时的形变量,但是我们仍然无法得知实际使用中的孔隙变化的真实情况。这也是现有表征方法无法得到的结果。

              第三,现有纳米纤维过滤材料的研究往往只注意纤维直径、孔隙率、孔径等因素对过滤效率的影响。但是,是否还有其他因素?如何测量其影响?我们认为至少有一个因素现在还没有被研究,那就是表面电荷。优异的过滤材料往往利用高分子材料的驻极体特性使其带电,以增加对被过滤粒子的吸附。静电纺丝工艺中电场力不仅产生纳米纤维,同时也使纳米纤维本身带有大量电荷。在纳米尺度上,静电吸附更加不可忽略。因此需要有科学的表征方法建立纳米纤维的电荷密度与过滤效率的关系。

              此外,还有很多问题需要依靠科学的表征技术实现。比如,在血液过滤中,滤材的生物安全性、血液相容性等至今还没有准确的评价标准;在生物环境中使用时,滤材与生物组织之间的界面几乎不能区分,无法表征过滤效果;在多种材料的共混纺丝中,因为相分离所表现出的纤维局部组成的区别也无法测定。这些都可能影响过滤效果。

              在科学的研究方法中,通常是在建立联系,但是如果建立了不存在的联系,无异于迷信。因此需要更多工作通过表征方法的创新列举出所有影响素,并建立对该因素的表征标准,以便满足纳米纤维过滤材料的研究需要。

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