纳米抗菌材料的详细介绍

纳米抗菌材料是防止细菌等致病微生物对人们生产、生活的破坏而发展起来的一类新型材料.在纳米抗菌材料的众多制备方法中，静电纺丝是一种成本低工艺可控的技术制备的纳米纤维具有比面积大、孔隙率高、纤维均匀等特点.本文作者首先简述了静电纺丝技术以及该技术制备纳米抗菌纤维材料的特点；接着按照菌剂种类不同对静电纺丝技术制备的抗菌纤维材料进行归类将其分为无机抗菌纤维材料、天然抗菌纤维材料和复合抗菌纤维材料３类并对其研究进展进行了评述；后对静电纺丝技术制备纳米抗菌纤维的研究现状进行了总结与展望.关键词：静电纺丝；纳米纤维；抗菌材料；进天然纤维受自然条件制约，已经无法满足人们的需求，随着现代化工技术的发展，采用高分子材料合成具有新型功能的人造纤维来替代传统的天然纤维已经成为该领域的趋势．微生物在现实生活中扮演着双重角色，病源细菌等有害微生物对人类的健康和生活会产生巨大的危害．这些微生物可以在合适的条件下迅速繁殖，进行疾病传播，影响人类的生活环境２－３，因此抗菌制品具有很大的市场需求量以及广阔的发展前景．纺织品是传递病菌的重要媒介，原因是纤维面高低不一，存在无数细微的凹槽，可以提供细菌繁殖生活的条件，因此研究具有抗菌作用的纺织制品具有第１期张志杰等：静电纺丝法制备纳米抗菌纤维的研究进展　１３重要的现实意义．抗菌纤维材料是一类具有杀菌、抑菌性能的新型功能材料，其核心成分是抗菌剂，即将极少量的抗菌剂添加至普通材料基体中制成抗菌材料，其在制药、环境保护、食品保鲜以及日用卫生用品等领域获得了广泛的应用４－５．抗菌纤维中抗菌剂的引入６主要包括３种方法：复合和涂覆、配位键固定抗菌基团和共价键固定抗菌基团．制备超细纤维的方法主要有拉伸法、电弧放电法、模板合成法、激光烧蚀法、相分离法、固定床催化裂解法、剥离法、静电纺丝法等７．静电纺丝制备抗菌纤维可以同时引入多种抗菌剂，使得纤维中包覆更多的抗菌剂，从而达到更好的抗菌效果８－９．因而采用高效、低成本的静电纺丝技术制备抗菌纤维已成为抗菌材料研究领域的一个热点．１　静电纺丝技术简介静电纺丝技术起源于十九世纪三十年代，ＦＯＲＭＨＡＬＳ１０发明了利用静电力制备纤维的实验装置，并在１９３４－１９４０年申请了一系列专利．２０世纪９０年代以前，静电纺丝技术一直发展缓慢，直到纳米科技的日渐兴起才使静电纺丝技术再次受到了世界各国科学界和工业界的关注１１－１２．１为静电纺丝制备纳米纤维装置的示意．静电纺丝设备主要由喷丝头、高压电源和接收装置３部分组成１３．静电纺丝过程包括５个步骤：液体带电、泰勒锥的形成、射流的形成、射流运动和纤维沉积，其中泰勒锥的形成为关键，也是纤维质量好坏的一个决定性因素．泰勒锥是在电场的库仑斥力和液体面张力共同作用下形成的尖锥体，是由ＴＡＹＬＯＲ１４早发现并命名的，泰勒锥的锥形半角为４９．３°．泰勒锥在电场力作用下形成射流和分散，终在接收装置上进行纤维收集．随着静电纺丝技术的发展，人们对纺丝装置不断进行改进．单针头静电纺丝机生产率只能达到０．１～１ｇ／ｈ，这显著提高了生产成本，成为静电纺丝产业化的一大阻碍．各国研究者先后提出了圆盘、平行板、高速辊筒１５、多针头１６、无针头１７等静电纺丝方法．多针头是容易想到的，也是提高生产效率的好办法．ＴＨＥＲＯＮ等１８对针头的排布阵列进行了实验，在排除静电影响的情况下提高了效率．为了获得连续非织造布，日本滋贺县立大学开发了复试喷嘴．静电纺丝是在电场的作用下工作，为了不影响不同方向电场的分布，要求左、右喷嘴距离间隔１０ｍｍ，上、下喷嘴间隔５０ｍｍ进行配置．另外，静电纺丝获得的纤维是非定向的，在组织１　静电纺丝制备纳米纤维装置示意１３Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ　ａｐｐａｒａｔｕｓ１３工程和力学性能等方面的应用受到限制．为了获得定向纤维，接收装置的改进也被提出．先是由静止平板接收装置发展为旋转盘和滚筒式，然后一些研究者１９－２０利用两带电尖端可以形成纺锤形电场的特点，采用尖顶和钢片等作为接收装置来获取定向纤维．其他的收集装置改进包括磁场辅助、液相收集２１－２２等方法．ＳＥＯ等２１讨论了液相收集液对纤维形貌的影响，实验证明酸性的收集液收集到的纤维在纤维直径和孔隙率方面比中性的均有一定的改善．采用不同的技术改进收集装置主要为了实现纤维定向化，较粗纤维向超细纤维以及圆柱形纤维向中空纤维的转变，从而使其在纺织、化工材料等方面得到可控性应用．静电纺丝制备纳米纤维方法简单、成本低廉、产率相对较高并且获得的纤维具有独特的结构，相对传统材料现出许多新的功能特性，所以对学术和工业界都具有极大的吸引力，已在电子材料、过滤材料、生物医用和隔膜材料等诸多领域得到广泛的研究与应用２３－２５，其中应用多的是在生物医药学领域，诸如药物缓释、组织工程和创伤修复等方面．２　静电纺丝抗菌纤维的特点静电纺丝技术制备抗菌材料是指将具有抗菌功能的高分子溶液或者抗菌剂与不具有抗菌作用的高分子溶液混合后，通过静电纺丝工艺制得的具有抗菌功能的微纳米级纤维材料．静电纺丝技术制备的抗菌材料为一维纤维或二维纤维毡，与传统的抗菌材料相比具有以下优势：１）大比面积和高孔隙率，使其具有较高的吸液性．在用于抗菌敷料时，能够迅速止血．传统敷料吸水率为２．３％，而静电纺丝技术制备的抗菌敷料吸水率达到