靜電紡絲法組裝一維納米結構單元及組裝體的性能研究.pdf

1、靜電紡絲技術在制備一維納米材料方面具有簡單快捷、規(guī)模化、纖維形貌可控等顯著的優(yōu)勢，特別是通過將功能化組分直接加入到電紡溶液中能夠制備各種復合纖維，克服了許多傳統(tǒng)合成方法的缺點。另一方面，在電紡碳納米管等一維納米材料時，發(fā)現(xiàn)碳納米管在電紡纖維內(nèi)會沿纖維軸向排列，因此利用靜電紡絲技術組裝一維納米材料成為可能。迄今為止，盡管納米材料表現(xiàn)出新穎的或者更好的性質(zhì)，然而將納米構筑單元大范圍組裝成功能性宏觀材料、并保持組裝體的穩(wěn)定性仍是當前該領域的一

2、個挑戰(zhàn)。
　　 本論文將集中闡述如何通過靜電紡絲技術實現(xiàn)電紡纖維與一維功能性納米單元的有效復合、組裝及組裝體的性能研究。通過電紡各種一維納米結構單元，成功制備了納米復合纖維，充分證明了靜電紡絲技術在大范圍組裝一維納米結構單元方面的廣泛適用性、穩(wěn)定性及簡單快捷性等特點;由電紡纖維和納米結構單元構成的柔性自支撐無紡布具有可調(diào)控的光性能，并且在表面增強拉曼(SERS)及光熱殺傷癌細胞等方面表現(xiàn)出很好的應用前景。取得的主要研究結果如下:

3、
　　 1、發(fā)展了通過靜電紡絲技術在聚乙烯醇(PVA)纖維內(nèi)大范圍組裝金納米棒的有效方法。研究發(fā)現(xiàn)，金納米棒均沿著電紡纖維軸向排列，從而證明靜電紡絲技術可有效地組裝金納米棒。與傳統(tǒng)組裝方法相比，本方法具有操作簡便、可實現(xiàn)大規(guī)模組裝等優(yōu)點。通過改變電紡溶液中金納米棒的濃度，可以調(diào)節(jié)電紡纖維內(nèi)金納米棒之間的距離，從而實現(xiàn)對電紡膜光學性能的調(diào)控。實驗結果表明，與金納米棒水溶液及相應的電紡溶液涂布膜相比，具有相同顆粒濃度的電紡膜的橫向等

4、離子體共振波長(TPB)和縱向等離子體共振波長(LPB)均明顯紅移;隨著金納米棒濃度的增加，復合薄膜的LPB則明顯藍移，并且寬化，而TPB沒有明顯變化，從而證明組裝對其光學性質(zhì)的影響。制備的AuNR/PVA復合電紡纖維薄膜可作為SERS基底進行應用。研究發(fā)現(xiàn)，柔性自支撐復合薄膜對3，3'-二乙基硫菁碘鹽(DTTCI)分子有顯著的SERS效應，在作為SERS基底進行應用時，具有高重現(xiàn)性及高穩(wěn)定性等優(yōu)點。此外，通過將PVA交聯(lián)，制備的包覆有

5、金納米棒的復合薄膜有很好的光熱效應:在808 nm紅外光照射下，尺寸為10×5 mm2大小的復合膜在60 s內(nèi)即可將1 mL水由23℃加熱到50℃;將復合薄膜像創(chuàng)可貼一樣直接覆蓋在癌細胞培養(yǎng)基上，進行癌細胞殺傷性能測試。實驗結果表明，大部分癌細胞在30 s內(nèi)即可被殺傷。由此證明制備的復合膜在殺傷癌細胞方面具有使用方便，效率高等優(yōu)點。
　　 2、基于以上有關組裝金納米棒這種單組份納米顆粒的基礎上，展示了靜電紡絲技術對復合納米結構單

6、元的組裝。首先通過靜電吸附成功制備由相同維度、不同材料組成的金納米棒-銀納米線組裝體。研究發(fā)現(xiàn)，金納米棒在銀納米線兩側以頭對頭方式排列形成串狀結構，通過控制金納米棒與銀納米線的比例，可以改變銀納米線上金納米棒間距離，從而實現(xiàn)對其光學性質(zhì)的調(diào)控;進一步利用靜電紡絲技術將這種組裝體包覆在聚合物纖維內(nèi)并進一步排列，使金納米棒-銀納米線組裝體沿著電紡纖維軸向排列，實現(xiàn)二次組裝。對制備的電紡薄膜進行了光學表征，發(fā)現(xiàn)與復合納米顆粒溶液及涂布膜相比，

7、相應的電紡薄膜的LPB明顯紅移，并且峰變寬。同樣對幾種基底進行SERS研究，發(fā)現(xiàn)具有相同量的金納米棒-銀納米線組裝體的電紡膜比相應的涂布膜表現(xiàn)出更強的SERS效應以及更好的穩(wěn)定性，進一步證明了組裝對復合納米纖維膜性能的促進作用。另外，制備由相同材料組成的Au/SiO2/Au復合納米結構單元，通過靜電紡絲技術將其固定在聚合物纖維內(nèi)并對其排列，制備復合功能薄膜，研究SiO2層的刻蝕程度對復合薄膜性能的影響。
　　 3、進一步發(fā)展了利

8、用磁場輔助的靜電紡絲技術大范圍組裝超長納米線。首先將制備的高長徑比銀納米線進行電紡后，發(fā)現(xiàn)銀納米線被很好地包覆在PVP電紡纖維中，并且均沿著纖維軸向平行排列;通過改變電紡溶液中銀納米線的濃度，可調(diào)控單根電紡纖維內(nèi)銀納米線的數(shù)量;利用磁場輔助的收集技術進行收集，可獲得由平行排列的電紡纖維組成的電紡薄膜，從而實現(xiàn)整個納米纖維膜中銀納米線的平行排列。另外利用聚合物本身的柔軟性，制備了具有不同交叉角度的膜狀材料和螺旋結構的纖維組裝體。相鄰的銀納

9、米線之間存在著電磁場，通過改變?nèi)肷涔獾钠窠嵌瓤梢哉{(diào)控電紡薄膜的紫外-可見光譜，進一步證明了靜電紡絲技術對銀納米線的有效組裝。此外，靜電紡絲超細碲納米線，證明靜電紡絲技術不但可以大面積組裝銀納米線這種剛性較強的一維材料，而且可以排列像碲納米線這種超細柔性一維材料。研究發(fā)現(xiàn)，選擇碲納米線不能很好分散地溶劑配置電紡溶液時，靜電紡絲之后碲納米線以束狀組裝體包覆在聚合物纖維內(nèi)，并沿著纖維排列，形成具有核-殼結構的復合纖維。由于碲納米線本身具有很