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1、磁性纳米纤维制备研究进展 近年来随着纳米技术的发展，纳米材料由于其独特的物理和化学性质得到人们的广泛关注。尤其是磁性纳米纤维和纳米线状材料具有高的长径比、大的比表面积等一系列优点而备受研究者的青睐。目前制备纳米纤维的方法有许多种，如:AAO模板法、水热法、相分离法等,虽然这些方法已经能够制备出形貌和磁性良好的磁性纳米纤维,但是它们存在操纵复杂、成本高、难以工业化生产的缺点。静电纺丝技术是近年来制备纳米纤维的一种新方法。它需要的设备和工艺简单,能适用于多种聚合物和复合物溶液，制备的纤维直径可在微米和纳米之间调节。静电纺丝技术已经在多个方面有应用。本文就这些制备方法进行简单介绍。关键词：磁性纳米纤
2、维 静电纺丝磁性纳米材料是一种具有独特物理化学性质的纳米材料, 因为它可以作为优良高密度磁记录材料、永磁材料、软磁材料、电磁波吸收材料、生物和医学功能材料, 所以磁性纳米材料的研究已经引起了研究者的高度关注。随着电子电信、计算机和材料等行业的进一步发展, 人们正对一维形貌的磁性纳米材料的制备工艺和性能进行深入的研究,以满足电子、光学、磁记录材料、吸波材料、磁流体、催化剂、超导体等领域日新月异的发展需求, 复合化、合金化以及结构可控正成为磁性纳米材料的发展方向。其中以磁性纳米纤维( 管或线) 的研究最为突出, 它独特的电磁性能为发展新一代的电磁功能材料开辟了新途径。因为磁性纳米纤维材料不但具有普
3、通纳米粒子的表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿效应和介电限域效应,而且具有独特的形状各向异性和磁晶各向异性效应, 可以突破各向同性粉体材料对电磁性能的限制1。纳米线和纳米纤维材料不仅继承了块体形式材料的性质,如:压电、化学感应和光电检测;而且具有和高各向异性和尺寸限制有关联的独特性质。纳米线和纳米纤维的新性质可能来自和其他形式的材料相比更复杂的电子性质和晶体结构,这主要归因于氧化态的多样性、对称性、晶体场稳定性、密度、化学计量、表面性质等。1. 纳米纤维和纳米线的制备方法纳米线和纳米纤维因其高的比表面积和独特的形状各向异性,在磁学、光学、电学性质等方面表现出不同于纳米
4、颗粒、薄膜和块体材料的优异性,使得纳米线和纳米纤维在基础研究和高技术应用方面引起研究者的高度关注。随着人们对纳米材料的深入研究,制备纳米材料的方法和工艺流程更加丰富。目前,用来合成纳米线和纳米纤维的制备方法可粗略地划分为物理方法和化学方法两种,物理方法主要包括高能球磨法、蒸发-冷凝法、溅射法、固体相变法等,但存在制备过程中容易造成样品污染、形貌和成分难以控制的缺点。相比之下,化学方法具有操作简单、快速、高效、成本低、易于控制等优势,因此,化学方法被广泛地应用于纳米线和纳米纤维的制备。选择适当的制备纳米线和纳米纤维的方法至关重要,一些常用的方法主要包括:模板法2,3、磁场辅助法、相分离法、水热法
5、4,5、静电纺丝法等。 1.1模板法模板材料是模板合成法的基础，模板的质量直接影响了制备的纳米线的质量，而衡量模板质量好坏的一个重要因素就是模板的有序度。模板法的一般制备步骤是先选择一定条件的模板,再利用液相沉积、电化学沉积或气相沉积向模板中填充各种金属、非金属或半导体的材料,最后把模板去除,得到一维纳米线材料。多孔阳极氧化铝膜（porous anodic aluminum oxide Membrane），又称AAO 膜孔径均一，高度有序，制备工艺简单，生产成本低廉，因此，以AAO 膜为模板，结合电化学沉积法，是近年来制备金属及合金纳米线最为常用的方法。按驱动金属离子方式的不同，AAO 模板法
6、电沉积纳米线可分为交流电沉积、直流电沉积和脉冲电沉积3 类。这3 种方法的原理是相同的，都是以模板作阴极，利用金属离子在阴极的还原过程将其沉积到模板的纳米孔中，利用模板的限域作用制备一定长度和直径的纳米线。 通过研究，模板孔径、电流密度、沉积电压、pH 值、温度等因素对纳米线阵列样品的磁学性能影响较大。纳米线的晶体结构随沉积电压的不同会发生改变6；pH 值较高，则易生成金属氢氧化物沉淀，pH 较低，则氢的析出量增加，不利于沉积，因此pH 大部分需控制在3856 之间。温度过低，电化学反应的活化能增加，温度过高，析氢反应剧烈，均不利于沉积的进行，故温度一般控制在2530之间7。纳米线的组成和长径
7、比等对材料的磁性能影响较大：随着直径的减小，磁滞回线的矩形度和矫顽力将增加；当直径一定，长径比增大时，平行和垂直于纳米线方向的矫顽力也将增加，当超过某一极限时达到饱和8。 1.2磁场辅助法 磁场辅助法是指在样品制备和加工过程中,通过施加外磁场来实现对样品形貌、物相的控制以及性能的改善9的一种方法。普通电磁场作用于样品加工的动力学过程是电磁搅拌或电磁制动等,而磁场辅助法明显不用于上面的过程,它是将强磁场的大强度磁化能量输入到样品中,进而改变样品的热力学状态,影响到原子和分子的排列、匹配和迁移等行为。在外磁场作用下制备磁性材料,为磁性材料的制备研究提供了一个新颖的思路。 1.3相分离法 相分离是指
8、将聚合物溶液、乳液或水凝胶在低温下冷冻,在冷冻过程中会发生相分离形成聚合物富集区和溶剂富集区,然后置于模具中迅速冷却,再经过冷冻干燥除去水分和溶剂,从而得到多孔纳米纤维的方法。相分离法又称为冷冻干燥法,该方法中的主耍影响因素有油水比、聚合物溶液能和聚合物分子量10。相分离法制备纳米纤维避免了高温煅烧,有利于生物活性物质的引入和控制释放。相分离法按溶剂形态的不同可简单分为乳液冷冻干燥法、溶液冷冻干燥法、水凝胶冷冻干燥法。 1.4水热法 水热法是指在特制的密闭高压釜中,采用水溶液作为反应体系,通过对反应体系加热加压,创造一个相对高温、高压的反应环境,使通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶进行无机合成
9、和材料处理的一种有效方法。水热法根据反应体系的不同可以分为水热还原、水热氧化、水热合成、水热沉淀、水热水解、水热结晶等。水热法制备纳米材料的原理是:反应物在溶液中溶解,以分子、离子的形式进入溶液,在高温高压下这些离子或分子发生剧烈碰撞形成籽晶,继而成长为晶粒。水热法中温度可在100-300 C范围内调节,反应过程中的温度、升温速率、搅拌速度、保温时间等因素都会影响最后样品的形貌和性能。水热法合成的样品不需要进一步的煅烧,因此可以避免在锻烧中晶粒再长大和杂质混入的缺点。2. 静电纺丝技术静电纺丝技术是使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电, 带电的聚合物溶液在电场力的作用下于毛细管的顶点形成
10、T aylor 锥, 当电场力大于溶液的表面张力时, 聚合物溶液克服表面张力形成喷射细流, 细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化, 纳米纤维最终落在接收装置上, 形成类似非织造布状的纳米纤维毡。 目前, 通过静电纺丝技术制备磁性纳米纤维主要有以下4 种途径: ( 1) 在聚合物溶液中加入磁性纳米粉体, 直接采用该溶液进行静电纺丝制备复合磁性纳米纤维; ( 2) 通过溶胶-凝胶法与静电纺丝技术相结合制得前驱体复合纳米纤维, 再煅烧制得无机磁性纳米纤维; ( 3) 以静电纺丝技术制备的有机纤维为模板, 利用金属盐溶胶对其进行涂覆, 再煅烧制得磁性纳米纤维( 管) ; ( 4) 利用静电纺丝与化学或者原子
11、层沉积等技术相结合, 制备不同形貌和组成的磁性纳米纤维。 静电纺丝的实验装置很简单,主要由三部分组成:产生高压电的高压电源、用于输送高聚物溶液的塑料或玻璃注射器、收集沉积纳米纤维的接收装置。近年来,研究者根据各自的需求,对实验装置进行了改进,但基本组成没有大的变化。普通的喷丝头是用尖端磨平的注射器针头;接收装置是导电金属板或旋转圆鼓；较精细的静电纺丝装置通常还包括一个控制溶液流速的恒流粟。纺丝方式有多种，一般可分为两种:垂直式和水平式。如下图。垂直式纺丝的溶液输送由空气压力和溶液自身重力控制,输送速度不好控制;水平式一般用恒流栗输送溶液,注射器是密闭的,纺丝溶液不容易挥发,输送速度比较容易控制
12、。 3.磁性纳米纤维的应用 静电纺丝法是目前制备多种材料超细纤维的一种简单、有效的技术,它具有合成过程简单、可制备材料多样性、纳米纤维有独特和有趣特征的优势,这使得静电纺丝技术制备的纳米纤维在催化、生物医学工程、传感器等方面有广泛的应用。 3.1 催化应用 当前纳米纤维最有希望的应用领域是催化应用,一些已经运用到实践中。催化分为异相催化和均相催化两种,催化介质一般是聚合物纳米纤维。静电纺丝法合成的无纺布有高孔率,总的孔率可以达到95%,纳米纤维的纳米尺寸导致了高的表面积,因此反应物质元素和纤维有直接接触,缩短了反应元素扩散到催化中心的路径。比较常用的方法是将粒子负载在纳米纤维上制备催化介质。催
13、化应用中最重要的两个问题是催化剂的回收和再利用,静电纺丝技术为这个问题提供了新的思路。目前许多研究人员已经通过静电纺丝技术制备了同时具有光催化性能和磁性能的复合纳米纤维, 这种复合纤维既具有高的光催化效率, 同时又能利用磁铁将其回收再利用,可以解决纳米光催化剂不易分离的问题。3.2 生物医学应用目前, 人们主要以生物相容和可降解的聚合物作为基体, 加入磁性纳米粒子来制备主要用于生物医学、生物工程和酶工程等 方面的磁性纳米纤维。在药物传递过程中,利用外加磁场引导该磁性纳米纤维制备的胶囊到达指定位置, 减少对身体的副作用, 达到药物用量少、疗效好的效果。也可利用磁性粒子的磁场来模仿人体的生物磁场,
14、 促进生物组织的生长。可以通过静电纺丝法制备了-Fe2O3 /nHA P( 羟基磷灰石) / PDLL A( 外消旋聚乳酸) 顺磁性的纳米纤维复合支架, 它能在弱磁场下于体内诱导新骨的形成11。参考文献：1 樊希安, 官建国, 王维, 等. 一维铁磁金属纳米材料的制备、结构调控及其磁性能 J . 化学进展, 2009, 21( 1) : 1432 Satishkumar B C, Go vindaraj A, Vanitha P V, et al.Ba rkhausen jumps and related magnetic properties of iron nanowires encaps
15、ulated in aligned carbon nanotube bundlesJ . Chem Phys Lett, 2002, 362( 3- 4) : 3013 Cao H, Wang L, Qiu Y, et al. Gener ation and grow thmechanism of metal ( Fe, Co, Ni) nanotube arrays J .Chem Phys Chem, 2006, 7( 7) : 15004 章彦卿.水热法合成卤素掺杂钛酸盐纳米纤维及其催化性能研究.上海交通大学硕士学位论文.20105 刘新辉.水热法合成钛酸钾纳米纤维及其二次水热处理.河北
16、大学硕士学位论文.20116 于美，刘建华，李松梅基于氧化铝模板直接电沉积法镍纳米线的制备与表征J中国有色金属学报，2007，17（5）：727-7317 马迪，李淑英AAO 样膜法电沉积纳米线镍表征及电化学行为研究J功能材料，2004，35：2836-28388 于美，刘建华，李松梅不同结构镍纳米线阵列的制备及其磁性J功能材料，2007，38：1060-10639 D. Li, G. Ouyang,J. T. McCann, Y. N. Xia, Collecting electrospun nanofibers with patterned electrodes, Nano Letters, 5 (2005) 913-916.10 杜春岭,电化学沉积法制
