Nano Spark｜如何用氣溶膠技術在纖維表面快速沉積納米粒子（一）

纖維表面沉積納米材料的方式

納米顆粒尤其是無機納米粒子在催化，能源，生命科學以及傳感等領域都表現出了非常好的性能，從而受到廣泛的關注。由于納米材料本身的特性，為了保證在實際使用時的穩定性與長效性，一般會采用將納米粒子以負載或原位構筑的方式與基底材料結合，從而獲得負載型催化劑，導電織物等改性材料。通過與納米技術的結合，可以獲得多種功能性纖維材料，應用在可穿戴，抗菌，能源催化領域。

在纖維表面沉積納米材料的方式有多種，可分為原位與非原位的方式。通常將在纖維表面直接構筑納米結構的方式稱為原位合成，該方式可得到負載均勻的纖維材料，但依賴前驅體在纖維表面的化學合成過程，且會產生較多的化學廢料，限制了其進一步的發展。

非原位的方法即先制備納米材料，并將其加工為分散液，利用浸漬提拉或者噴涂等手段實現納米負載。該方法容易造成分布不均，還會造成原料的大量浪費。

液相沉積法

氣相沉積是一種較為成熟的沉積方案，但傳統的方式如：蒸發法或濺射法，離子鍍都依賴于真空環境，設備較為復雜，同時對基底纖維可能造成熱損傷和機械損傷。同時，由于纖維膜本身具備一定的厚度，真空鍍膜的方式很難保證顆粒能穿透進入孔隙之中。原子層沉積技術是一種靈活性高，且可控性強的薄膜沉積技術，其穿透性強，從單原子到致密的薄膜的合成均可滿足。但對于有機聚合物纖維基底，其反應效率太低，且工藝要求較高，目前尚無工業應用。

氣相以及電鍍沉積方案

對于催化等應用，理想的負載結合為小尺寸的納米顆粒均勻的分散在纖維表面，而不是形成致密的薄膜，同時由于纖維膜有一定的厚度，傳統的方案很難保證纖維膜的表層與內層都負載有均勻的顆粒。

因此，一種環保，簡便的納米顆粒負載技術對于開發新一代功能纖維材料非常重要。但目前的方案，包括使用 PVD 或 CVD 的方法，都很難做到纖維層內外的均勻負載，同時獲得的多為薄膜層，而不是分散的納米粒子團簇。而在催化反應中，這些分散的顆粒才是反應的活性位點。

內外兼修才是纖維負載的目標

事實上，納米級的顆粒如果更換分散介質在氣相環境中，也可以形成一種穩定的分散系：氣溶膠（詳情見??：氣溶膠，病毒與口罩）。而將氣溶膠技術與過濾技術結合，便可以輕松實現纖維表面的負載沉積。這一方法借鑒了“口罩”過濾的方式，納米級氣溶膠會在氣流的帶動下，從過濾介質的孔隙中穿過，顆粒則會在這一過程中均勻的分散在基底表面與內層。

利用“過濾”的方式均勻的負載納米粒子

這一方法原理與過濾空氣中的有害顆粒物類似，氣溶膠顆粒會在氣流的帶動下實現均勻的沉積。而產生納米氣溶膠的方式則為一種全新的大氣壓等離子火花燒蝕技術。這一方法可在常壓條件下，溫和的實現納米粒子的軟著陸，避免了熱沖擊對于基底的破壞，同時保證了顆粒在纖維基底表面的分散以及粒徑控制。該方法可以實現單質，氧化物，合金在內的多種納米復合體系制備，并且與多種技術進行結合。

火花燒蝕產生納米級氣溶膠

下一篇我們介紹一下火花燒蝕產生納米級氣溶膠的原理