溶液喷射纺丝技术的基本原理及其纤维应用

（a ）装置整体结构 （b ）针头示意图
图片来源：文献[1]。

图 1　溶液喷射纺丝法工艺流程
根据研究，溶液喷射纺丝技术克服了熔喷纺丝技术只能加工热塑性聚合物以及静电纺丝生产效率低的缺陷，具有材料来源广泛、设备操作简单、安全风险低、纺丝效率高等优点。

近年来，有关该纺丝技术的研究逐渐成为热点，相关主题（包括基本原理相同的技术）的论文数量总体上呈增长态势（图始明显增长，这也在一定程度上印证了其在业内的受关加压气体
注射泵
压力表
喷嘴
接收距离
接收网
气流P P P 聚合物溶液
气体/溶液边界空气/射流边界
电阻会随间距的出现和扩展而逐渐增加，从而使电流减小。

而在释放应变的过程中，导电粒子因为改性膜的柔韧性可以重新连接，从而使得电阻恢复到原始阻值。

如图 6（b ）所示，改性膜随着腕部不同程度的弯曲，电阻也发生了不同程度的改变，在肘部弯曲产生较大形变时，膜表面及内部的导电粒子间距增大，导电性能发生较明显变化，所以电阻变化更明显。

此外，在经过不同弯曲程度的重复弯曲运动时，也几乎能恢复初始电阻，说明改性膜有较好的弯曲重复性和稳定性。

3　结论
（1）以丁二酸酐为中间体，可成功将类球形分子结 （a ）人体手指弯曲 （b ）人体腕部弯曲
图 6　改性膜在人体不同部位不同弯曲程度和放松情况下的电阻变
化率－时间变化情况
时间/s 时间/s
12
8
40
0 5 10 15 20 25
***********
电阻变化率/%
（a ）直径为0.2 mm 的商业喷枪 （b ）放置针的喷嘴
注：图（a ）来源于文献[3]，图（b ）来源于文献[4]。

图 3　不同的喷嘴
807060
50403020100
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
年份
聚合物溶液储备器
压缩气体入口
溶液
气体
气体气体
纳米纤维
纤维
（a）15 mg/mL （b）25 mg/mL （c） 50 mg/mL
图片来源：文献[8]。

图 4　不同浓度PMMA溶液所纺纤维的SEM图像溶液流量、气压及接收距离等工艺参数对纳米纤维的形成也有影响。

低气压下聚合物溶液流速过低或过高分别会导致射流不稳定或喷嘴堵塞，因此流速通常控制在0.02 ～ 1 mL/min之间。

低气压下，由于射流牵伸不足无法产生纳米纤维，提高气体压力对溶液有较大的剪切
的纳米纤维材料，即二醋酸纤维素（CDA ）、聚丙烯腈（PAN ）和聚偏氟乙烯（PVDF ），分别用于加工复合多层滤膜，测试其对PM 2.5的过滤性能。

结果显示，PAN 纳米纤维过滤性能最高（92%），质量因子为0.052 Pa －1，透气性也比较好；PVDF 的过滤质量最低，质量因子为0.02 Pa －1。

研究者认为，纳米纤维中不同功能性基团对空气中粒子的作用能力也不同，特别是PM 2.5。

SHI 等将聚酰胺6（PA6）纳米纤维应用于过滤材料，纤维直径为150 ～ 750 nm ，其过滤效率可达93.45%，压降为15.37 ～ 30.35 Pa ，证明溶液喷射纺纳米纤维在高效低阻过滤材料有广泛的应用前景。

KHALID 等将纳米纤维大规模涂覆在窗户屏幕上，以保护室内免受悬浮物污染，制备了一种透光率达到80%以上的透明空气过滤器，去除PM 2.5的效率水平可以达到99%以上。

4.2.2　污染物吸附
添加金属离子和二氧化碳等水污染物是溶液喷射纺纳米纤维在减少污染方面的首次应用。

例如，W ANG 等制备了十二烷基苯磺酸（DBSA ）掺杂聚苯胺（PANI ）包覆导电聚酰亚胺（PI ）微纤维膜，PANI /PI 微纤维膜对六价铬Cr （VI ）具有优异的吸附性能，其吸附性能取决于初始溶液的pH 值，当pH 值为 1 时具有较高的吸附容量，能在300 min 内去除 5 mg /L 的Cr （VI ）溶液。

KOLBASOV 等采用溶液喷射纺丝法成功制备了含生物基聚合物的PA6基纳米纤维膜（生物基聚合物以木质素、燕麦、壳聚糖、海藻酸钠和大豆蛋白等为原料），研究该膜对于重金属污染物铅（Pb ）的吸附作用。

例如含以木质素和燕麦为原料加工的生物基聚合物的纳米纤维膜对重金属的吸附率分别为37和11 mg /g ，与商用吸附剂相比，其成本更加低，还能有效吸附水溶液中的重金属。

MERCANTE 等用溶液喷射法纺PMMA 纳米纤维，并加入还原氧化石墨烯（rGO ）进行复合，与纯PMMA 纳米纤维和PMMA －GO 纤维相比，该复合材料具有更好的吸附能力。

5　结论与展望
作为一种制备纳米纤维的新型纺丝方法，溶液喷射纺丝技术在近10年取得了快速发展。

溶液喷射纺纳米纤维可以喷涂到指定区域，促进伤口愈合，使其在生物医疗方面具有很大的应用价值。

纤维还具有三维卷曲、孔隙率高等独特的形态结构，可在空气过滤和污染物吸附方面得到广泛应用。

溶液喷射纺丝技术为纳米纤维的发展开拓了新的市场机会，与静电纺丝技术相比，其受到的约束更小。

用进一步拓展。

4.1.1　组织工程
在组织工程领域，支架可以为细胞生长提供载体。

支架与细胞的生物相容性受两个因素影响。

一方面，在组织工程中，细胞通常被植入支架中，这就要求纺丝加工技术不能影响细胞的活性。

因此，LU 等证明了溶液喷射纺纳米纤维对于细胞活力的影响，并与静电纺纤维进行了比较。

研究者将细胞接种到用这两种技术加工的纳米纤维支架中，研究结果显示，溶液喷射纺纳米纤维支架中有48.2%的细胞存活，静电纺纳米纤维支架中因为有高压存在，只有11.2%的细胞存活。

RAFAELLA 等从黏附、迁移和免疫预防等方面研究了细胞与纳米纤维支架的生物相容性。

肌动蛋白在细胞与纤维的接触部位聚集，说明细胞与纤维之间产生亲密接触，相互作用。

而且细胞的位置随时间变化在纤维上活跃移动，这表明溶液喷射纺制备的纤维是支持细胞运动的有效工具。

而且，表面标记物的检测也显示，纤维在免疫方面是惰性的。

此外还发现，溶液喷射纺制备的纳米纤维特别适用于组织工程应用，因为这些材料在植入时引起的炎症反应很小。

在细胞培养过程中，与电纺纳米纤维支架相比，该纳米纤维支架具有更高的细胞增殖能力，这跟纤维的孔隙率高、孔径大有直接关系。

4.1.2　伤口愈合
在伤口治疗中，纳米纤维的高孔隙率和透气性是促进伤口愈合的关键。

KOFINAS 等证明了溶液喷射纺纳米纤维对伤口愈合有很好的促进作用。

研究者将PLGA /PEG 纳米纤维作为伤口密封剂直接沉积在大鼠伤口的缝合线上，实验 7 天后，90%的大鼠可存活，而对照组（仅涂有PEG 水凝胶密封剂的缝合线）只有60%的大鼠存活。

其实验结果表明，溶液喷射纺制备的纳米纤维保证了快速的气液交换并防止细菌繁殖，可有效阻止伤口出血。

总之，溶液喷射纺纳米纤维除了有优良的性能以外，最大的优势就是纤维可以直接沉积在伤口表面，不用二次转移，整个过程方便快捷，无二次损伤。

4.2　环保领域
由于溶液喷射纺纳米纤维具有独特的三维卷曲结构，有较高的孔隙率和比表面积，因此其在空气过滤和污染物吸附方面具有良好的应用前景。

4.2.1　空气过滤
TAN 等采用溶液喷射纺丝法制备了 3 种不同类型
由于纤维的形成不是靠电场驱动的，故该法聚合物溶液的电导率与纤维直径没有关系。

溶液喷射纺丝可将纤维沉积在任何目标上，应用更加便利，是一种比静电纺丝更经济、效率更高的纳米纤维制备技术。

参考文献
[1] MEDEIROS E S，GLENN G M，KLAMCZYNSKI A P，et al．
Solution blow spinning：A new method to produce micro and nanofibers from polymer solutions[J]．Journal of Applied Polymer Science，2010，113（4）：2322－2330．
[2] SONG J N，LI Z W，WU H．Blow spinning：A new choice for
nanofibers[J]．ACS Applied Materials & Interfaces，2020，12（30）：33447－33464．
[3] TUTAK W，SARKAR S，LIN-GIBSON S，et al．The support
of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds[J]．Biomaterials，2013，34（10）：2389－2398. [4] WANG H L，LIAO S Y，BAI Y P，et al．Highly flexible indium
tin oxide nanofiber transparent electrodes by blow spinning[J]．ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（48）：32661－32666.
[5] TENO J，GONZALEZ-GAITANO G，GONZÁ-BENITO J．
Nanofibrous polysulfone/TiO2 nanocomposites：Surface properties and their relation with E.coli adhesion[J]．Journal of Polymer Science B Polymer Physics，2017，55（21）：1575－1584．[6] GRAESSLEY W．Polymer chain dimensions and the dependence
of viscoelastic properties on concentration，molecular weight and solvent power[J]．Polymer，1980，21（3）：258－262．[7] SRINIVASAN S，CHHATRE S S，MABRY J M，et al．
Solution spraying of poly（methyl methacrylate）blends to fabricate microtextured，superoleophobic surfaces[J]．Polymer，2011，14（52）：3209－3218．
[8] DARISTOTLE J L，BEHRENS A M，SANDLER A D，et al．
A review of the fundamental principles and applications of solution
blow spinning[J]．ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8：34951－34963．
[9] KOLBASOV A，SINHA-RAY S，JOIJODE A，et al．Industrial-
scale solution blowing of soy protein nanofibers[J]．Industrial & Engineering Chemistry Research，2016，55（1）：323－333．[10] JULIANO E O，EDUARDO A M，RODRIGO G F C，et al．
Nano and submicrometric fibers of poly（D，L-lactide）obtained by solution blow spinning：Process and solution variables[J]．Journal of Applied Polymer Science，2011，122（5）：3396－3405．
[11] LOU H Q，LI W T，LI C L，et al．Systematic investigation
on parameters of solution blown micro/nanofibers using response surface methodology based on box-Behnken design[J]．Journal of Applied Polymer Science，2013，130（2）：1383－1391．[12] ATIF R，COMBRINCK M，KHALIQ J，et al．Solution blow
spinning of high-performance submicron polyvinylidene fluoride fibres：Computational fluid mechanics modelling and experimental results[J]．Polymers，2020，12（5）：doi：10.3390/ polym12051140．
[13] LIN J，SONG G C，YU J R，et al．Preparation of solution
blown polyamic acid nanofibers and their imidization into
polyimide nanofiber mats[J]．Nanomaterials，2017，7（11）：257－262．
[14] TUTAK W，SARKAR S，LIN-GIBSON S，et al．The support
of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds[J]．Biomaterials，2013，34（10）：2389－2398．[15] COLLET J P，SHUMAN H，LEDGER R E，et al．The
elasticity of an individual fibrin fiber in a clot[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2005，102（26）：9133－9137．
[16] LU B G，HE Y M，DUAN H G，et al．A new ultrahigh-speed
method for the preparation of nanofibers containing living cells：
A bridge towards industrial bioengineering applications[J]．
Nanoscale，2012，4（3）：1003－1009．
[17] PASCHOALIN R T，TRALDI B，AYDIN G，et al．Solution
blow spinning fibres：New immunologically inert substrates for the analysis of cell adhesion and motility[J]．Acta Biomaterialia，2017，51：161－174．
[18] BOLBASOV E N，STANKEVICH K S，SUDAREV E A，et
al．The investigation of the production method influence on the structure and properties of the ferroelectric nonwoven materials based on vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer[J]．Materials Chemistry & Physics，2016，182：338－346．[19] KERN N G，BEHRENS A M，SRINIV ASAN P，et al．Solution
blow spun polymer：A novel preclinical surgical sealant for bowel anastomoses[J]．Journal of Pediatric Surgery，2017，52（8）：1308－1312．
[20] BEHRENS A M，LEE N G，CASEY B J，et al．Biodegradable-
polymer-blend-based surgical sealant with body-temperature-mediated adhesion[J]．Advanced Materials，2015，27（48）：8056－8061．
[21] BEHRENS A M，CASEY B J，SIKORSKI M J，et al．In situ
deposition of PLGA nanofibers via solution blow spinning[J]．ACS Macro Letters，2014，3（3）：249－254．
[22] TAN N P，PACLIJAN S，ALI H N，et al．Solution blow
spinning（SBS）nanofibers for composite air filter mask[J]．ACS Applied Nano Materials，2019，2（4）：2475－2483．[23] SUN Y F，LIU B W，WANG X H，et al．Air-flow field of the
melt-blowing slot die via numerical simulation and multiobjective genetic algorithms[J]．Journal of Applied Polymer Science，2011，12（2）：3520－3527．
[24] KHALID B，BAI X P，WEI H H，et al．Direct blow-spinning
of nanofibers on a window screen for highly efficient PM2.5 removal[J]．Nano Letters，2017，17（2）：1140－1148．[25] WANG N，CHEN Y，REN J Y，et al．Electrically conductive
polyaniline/polyimide microfiber membrane prepared via
a combination of solution blowing and subsequent in situ
polymerization growth[J]．Journal of Polymer Research，2017，24（3）：doi：10.1007/s10965-017-1198-3．
[26] KOLBASOV A，SINHA-RAY S，YARIN A L，et al．Heavy
metal adsorption on solution-blown biopolymer nanofiber membranes[J]．Journal of Membrane Science，2017，530：250－263．
[27] MERCANTE L A，FACURE M H M，LOCILENTO D A，et
al．Solution blow spun PMMA nanofibers wrapped with reduced graphene oxide as efficient dye adsorbent[J]．New Journal of Chemistry，2017，41（17）：9087－9094．。