Полимерные нановолокна представляют собой волокнистые структуры с диаметром в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Их уникальные свойства определяются сочетанием высокой удельной поверхности, значительной пористости и специфического морфологического строения. Основными характеристиками являются высокое соотношение длины к диаметру, механическая прочность, термическая стабильность и возможность функционализации поверхности различными химическими группами.
Нановолокна могут быть изготовлены из синтетических полимеров (полиакрилонитрил, полиэтиленоксид, полимолочная кислота) и природных полимеров (целлюлоза, хитин, белки). Структура волокна определяется условиями синтеза и химическими свойствами исходного полимера. Важную роль играет кристалличность полимера, которая влияет на механическую прочность и термическую устойчивость нановолокон.
Электроспиннинг является наиболее распространённым методом производства полимерных нановолокон. Принцип основан на вытягивании полимерного раствора или расплава под действием высоковольтного электрического поля. Ключевые параметры, влияющие на морфологию волокон:
Помимо электроспиннинга, используются методы сухого и влажного прядения, темплейтный синтез, самосборка полимерных цепей, которые позволяют формировать волокна с контролируемой пористостью и ориентацией молекул.
Поверхность полимерных нановолокон может быть функционализирована различными химическими группами для достижения специфических свойств, таких как гидрофильность, каталитическая активность или биосовместимость. Основные подходы включают:
Функционализация позволяет использовать нановолокна в качестве сенсоров, фильтрующих мембран, носителей лекарственных препаратов и биокатализаторов.
Высокое соотношение длины к диаметру и ориентированность полимерных цепей обеспечивают увеличение механической прочности и устойчивость к разрывным нагрузкам. Пористая структура способствует высокой удельной поверхности, что повышает эффективность адсорбции и каталитическую активность. Полимерные нановолокна обладают также:
Фильтрация и очистка: Пористая структура нановолокон позволяет использовать их для захвата частиц размером до нанометров, удаления органических загрязнителей и газовой очистки.
Катализ: Высокая удельная поверхность и возможность функционализации делают нановолокна удобной матрицей для гетерогенных катализаторов, включая металлоорганические комплексы и наночастицы металлов.
Биомедицина: Полимерные нановолокна применяются в тканевой инженерии, как носители лекарственных средств и в качестве временных матриц для регенерации тканей, обеспечивая контролируемый рост клеток.
Энергетика: Использование в электрохимических устройствах, включая суперконденсаторы и элементы топливных ячеек, обеспечивается за счёт высокой проводимости, механической стабильности и возможности введения функциональных добавок.
Морфологические характеристики, такие как диаметр волокон, пористость, степень ориентации и текстура поверхности, напрямую определяют физико-химические свойства. Например, уменьшение диаметра волокон увеличивает соотношение поверхности к объёму, что усиливает адсорбционную активность и повышает эффективность каталитических процессов. Ориентация волокон влияет на механическую прочность и упругость материала, тогда как текстурирование поверхности позволяет контролировать взаимодействие с жидкими и газовыми средами.
Современные исследования направлены на создание многофункциональных нановолокон, способных совмещать механическую прочность, биосовместимость и каталитическую активность. Разрабатываются методы масштабируемого производства с высокой воспроизводимостью, включая комбинированные технологии спиннинга и самосборки. Активно исследуется интеграция полимерных нановолокон с наночастицами металлов, углеродных наноматериалов и ферментативных систем для создания новых функциональных материалов с заданными свойствами.