A review on electrospun magnetic nanomaterials: methods, properties and applications
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A review on electrospun magnetic nanomaterials: methods, properties and applications
发布时间:2021-09-09        浏览次数:14

Yifan Jia#, Congyi Yang# ,Xueyang Chen, Wenqing Xue, Helena J. Hutchins-Crawford, Qianqian Yu*, Paul D. Topham* and Linge Wang*

Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9, 9042-9082

https://doi.org/10.1039/D1TC01477C 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/TC/D1TC01477C


本文被选为期刊封面(2021年第929期)

内容简介

华南理工大学分子科学与工程学院及华南软物质科学与技术高等研究院团队近日在《Journal of Materials Chemistry C》刊发综述文章,总结了近20年来基于静电纺丝技术所制备的一维磁性纳米纤维材料的研发思路、结构和性能,并系统介绍了它们在电磁屏蔽、过滤分离、组织工程支架、细胞诱导分化、热疗、药物递送、纳米发电机、数据储存与转移方面的应用。

研究背景

磁性材料由于具有独一无二的性能而广受研究,特别是纳米尺寸的磁性材料相对于宏观尺寸而言,带来了性能上的显著提升。

纤维是一种常见的材料类型,通常具有良好的柔韧性、通透性、各向异性等。静电纺丝技术作为一种可以连续生产纳米-微米级纤维的加工方法,在功能与智能纤维材料制备方面发挥着重要的作用。静电纺高分子纤维膜材料具有比表面积高、孔径可调控和通透性好的特点,以这些微纳米纤维为支撑基材并复合了磁性粒子的新型一维磁性纳米材料正成为新型磁性材料和器件的重要方法和手段。

本文亮点

文章共40页,引用文献约500篇,总结了近20年来基于静电纺技术对一维磁性材料的研究,探究了纳米尺寸下磁性材料的性能变化,讨论和拓展了此类新型磁性材料的应用前景。全文共分为4个部分:基于静电纺丝技术制备磁性纳米纤维的方法与设备,纤维的形貌,性能与应用,以及目前的问题及未来的发展方向。文中还汇总了约400条数据,为读者罗列对比了相关纤维的磁性原材料、高分子原料、加工方法、产品形貌、磁性能与应用等信息。 

图文导读

目前,静电纺所得微纳米磁性纤维是一种有机/无机复合纤维或其后加工产品。研究人员主要通过两大类手段制备电纺磁性纤维:(1)传统的共混方式,将磁性纳米材料与纺丝溶液直接混合;(2)模板法,以纤维作为模板和支撑材料,在其基础上通过煅烧、碳化、沉积等方法进一步改性纤维。通过以上方法制备出了多种电纺磁性纤维的纤维形貌,也可控制磁性纳米粒子在纤维中的分布情况。

 1. 静电纺磁性纤维的主要工艺方法

基于不同制备工艺所制备得到的磁性纳米材料是不同的。例如,直接通过纺丝溶液负载磁性材料一步成型,可以制备得到同轴纤维、空心纤维、Janus结构纤维等。通过不同的制备工艺与纺丝原料的选择,也可以控制磁性纳米材料在纤维中的分布状态;基于静电纺丝技术得到的磁性纤维模板可通过煅烧工艺参数,控制磁性纳米粒子在纤维当中的尺寸及分布情况。

纳米材料的磁性能由元素的化学性质、晶体结构与形状各向异性共同决定,磁性电纺纤维与块体材料或单纯磁性粒子的磁性能存在显著差异,文中总结了造成这种差异的因素,主要包括4类:(1)一维纳米结构:在电纺过程中,由于聚合物作为支撑材料存在,因此能够形成磁性纳米粒子/聚合物复合连续纤维。电纺时所使用的高电压迫使磁性纳米粒子在纤维内部及表面有序化并沿纤维径向方向排列,并使磁矩倾向于指向同一方向,对外表现出较大的净磁矩,在矫顽力、剩磁等磁性能体现出更加优越的性能。除此之外一维的纳米材料具有大的比表面积,有效防止磁性纳米粒子聚集,造成磁性粒子尺寸的减小,当磁性粒子尺寸小于临界尺寸时转变为单畴,对外表现出超顺磁性;(2)电纺的高电压可以造成具有还原性的磁性粒子被氧化,改变磁性能;(3)电纺的聚合物配方(包括种类与浓度):具体作用机制尚未明确,但有研究显示聚合物链可能会影响磁性纳米粒子表面的磁矩,从而降低饱和磁化强度。此外在模板法中,以煅烧、后处理为例,不同的聚合物具有不同的分解方式以及分解起始温度,会影响磁性纳米粒子晶粒生长活化能,从而造成磁性纳米粒子与煅烧气氛的计量或非计量化学反应(生成非整比化合物),导致晶粒中不同含量的非计量化学比缺陷,影响电子排列,从而影响磁性能;(4)特殊的电纺结构,例如核壳纤维、Janus结构,可以避免化学组成不同的两组分直接接触对磁性能与发光性能等的影响。

 

1.基于共混方法制备电纺磁性纤维的工艺、性能与应用(全表见原文)



2.基于模板法制备电纺磁性纤维的工艺、形貌、性能与应用全表见原文

2. 静电纺磁性纤维的表面形貌(左)与纳米粒子在其中的分布情况(右)

静电纺磁性纤维的形貌和结构(包括纤维拓扑结构和磁性粒子种类及分布)对纤维的性能有巨大的影响。作者同时对近500篇参考文献进行分类,将使用的电纺工艺参数、高分子原料、磁性原材料种类、磁性能与应用进行汇总,便于读者查询感兴趣的领域。 

基于以上的纤维结构,静电纺磁性纤维在电磁屏蔽、过滤分离、组织工程支架、细胞诱导分化、热疗、药物递送、纳米发电机、数据储存与转移方面有广泛的应用。举例来说,下图(图3)是磁性纤维在磁热疗法方面的工作。

磁热疗法通过超顺磁性药物载体在交变磁场中的热响应,释放出致命的热量杀灭癌细胞,同时局部药物释放增强疗法效果,是一种有效的癌症治疗手段。在生物医学应用中,磁热疗法的药物载体不仅需要提供机械支撑,还需要在发挥作用后快速降解、提供足够多的固定磁性粒子的活性位点以提高磁热疗法效果。静电纺丝纤维具有高的比表面积,能够实现上述的功能。


3. 温敏型静电纺磁性纤维用于磁热疗法 

作者介绍

贾毅凡(共同第一作者)

在学博士生,曾获2019-2020学年研究生国家奖学金与校长奖学金,第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛华南理工大学金奖(项目负责人),有授权中国专利4件。主要从事功能高分子纤维材料的研发,包括相变储能材料、磁共振成像功能纤维等。 

杨琮亿(共同第一作者)

在学博士生,主要从事功能高分子纤维材料、薄膜材料的研发,研究方向包括:磁共振成像功能纤维;光学功能膜。曾在本科就读期间多次获人民奖学金。 

陈雪阳、薛汶清

华南理工大学2018级硕士研究生,主要从事光学功能膜研究。 

王林格(本文共同通讯作者)

华南理工大学教授。主要从事“功能高分子材料”的研究工作,围绕高分子功能和智能材料的分子设计与合成、多尺度结构调控、结构与性能之间关系的进行基础研究及应用工程化。研究方向包括:功能高分子纤维材料的制备、性能和生物应用;高分子纳米囊泡的制备及生物医药应用;先进光学膜材料的制备及应用;同步辐射技术小角X光散射技术用于高分子材料结构表征。 

于倩倩(本文共同通讯作者)

华南理工大学副教授。研究方向:功能高分子材料的制备及其在生物医药领域的应用。包括高分子纤维材料、高分子囊泡的合成、性能调控、及功能化修饰,研究其在多模态生物影像、药物输送和疾病诊疗等方面的应用。 

Paul D. Topham(本文共同通讯作者)

英国阿斯顿大学教授。2014年获“Macro Group UK Young Researchers Medal”。研究主要集中在有序高分子材料的合成、开发和应用,包括“智能”聚合物,高生物相容性和可降解材料,以及聚合物刷。

 

本文受到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、广东省科技项目、广东省自然科学基金等基金的资助。 

  作者团队在利用静电纺技术制备功能与智能纤维材料的研究工作涉及装置及机理、材料结构与性能、功能与应用等。具体包括:静电纺嵌段共聚物的结构转变与结构调控的机理研究(Advanced Materials, 2007, 19, 3544; Macromolecular Rapid Communications, 2015, 36, 1437; Soft Matter, 2019, 15, 2490);设计与制备具有高生物相容性的功能性纤维(Advanced Materials, 2006, 18, 1566),广泛用于生物组织工程支架材料(Jove-the Journal of Visualized Experiments, 2012, 66, e4172)、纳米纺生纤维材料(Applied Surface Science, 2017, 422, 769)、功能药物载体(RSC Advances, 2012, 2, 2433; Journal of Colloid and Interface Science, 2017, 508, 145)、伤口辅料(Acta Biomaterialia, 2019, 92, 60)、抗菌及抗病毒的过滤材料等生命健康领域(Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 606, 248);以及应用于能源材料、智能材料领域(Polymer, 2007, 48, 5202; Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, 92, 1382; Chemical Engineering Journal, 2009, 150, 269; Applied Energy, 2011, 88, 3133; Journal of Materials Science, 2018, 53, 16539; Applied Energy, 2018, 210, 167)。


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