探讨静电纺丝技术的研究进展

探讨静电纺丝技术的研究进展

摘要：静电纺丝工艺是目前能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，具有

工艺简单、操作方便、制造速度快等优点，在医学和环保等领域有广泛应用。介

绍了近年来静电纺丝技术及其应用的研究进展，对静电纺丝的原理、影响因素等

方面进行了综述，对静电纺丝技术在未来的应用提出展望。

关键词：静电纺丝；纳米纤维；进展

引言

纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100nm的超微细纤维。它具有比表面

积大、孔隙率高等特点，因而可广泛应用于高效过滤材料、生物材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域。20世纪90年代纳米技术研究的升温，使

纳米纤维的制备迅速成为研究热点。静电纺制备聚合物纳米纤维具有设备简单、

操作容易等特点，是目前为止制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。

1静电纺丝

静电纺丝设备的简图如图1所示，主要由3部分组成：高压电源、喷丝头和

纤维收集装置。一般采用直流电源供应高压电，而不是交流电源。静电纺丝所需

的高压电为 1～30kV。注射器（或者移液管）将溶液或熔体输送到其末端的喷丝

头处。喷丝头是非常细的金属管且装有电极。收集装置或接收板用于收集纳米纤维，通过改变收集装置的几何尺寸与形状，可调整纳米纤维的排列形态。

2静电纺丝技术的原理

早在1882年，Ｒaleigh的研究发现，带电的液滴在电场中不稳定，进入电场之后，由于

电场力的作用，容易劈裂成较小的液滴。Taylor的研究表明，带电的液滴通过喷丝头进入电

场以后，在电场力以及液体表面张力的共同作用下，液滴逐渐被拉长，形成一个锥状体（Taylor锥），并确定其角度为49.3°。

静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体被挤压到喷丝头，由于电场力和表面张力的作用，

在喷丝头处形成Taylor锥，随着纺丝液不断的被推入电场，纺丝液便会从Taylor锥尖端喷出，在电场中受电场力的作用而被继续拉伸，当射流被拉伸到一定程度时，便会克服表面张力，

发生非稳定性弯曲进而被拉伸并分裂成更细的射流，此时射流的比表面积迅速增大而使溶剂

快速挥发，最终在收集装置上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。

3静电纺丝的影响因素

静电纺丝的影响因素主要包括溶液性质（如黏度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常数、表面张力等），过程条件（如电压、挤出率、喷丝头与接收装置之间的距离、喷丝头直径等）和环境因素（如温度、湿度、气体流速等）。对于这一方面，很多人进行了

研究。

现有的研究结果表明，在静电纺丝过程中，影响纤维性能的主要工艺参数主要有：聚合

物溶液浓度、纺丝电压、固化距离（喷嘴到接丝装置距离）、溶剂挥发性和挤出速度等。

（1）合物溶液浓度

聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张

力增大而减弱。通常在其它条件不变时，随着聚合物溶液浓度的增加纤维的直径也增大。

（2）纺丝电压

随着对聚合物溶液施加的电压增大，体系的静电力增大，液滴的分裂能力相应增强，所

得纤维的直径趋于减少。

（3）固化距离

聚合物液滴经喷嘴喷出后，在空气中伴随着溶剂挥发细流中的同时，合物浓缩固化成纤维，最后被接丝装置接受。对于不同的体系，固化距离对纤维直径的影响不同。例如，对于

聚苯乙烯（PS）/四氢呋喃（THF）体系研究表明，改变固化距离，对纤维直径的影响不明显。

而对于聚丙烯腈（PAN）/N，N-二甲基甲酰胺（DMF）体系，纤维直径随着接收距离的增大

而减小。

（4）溶剂

与常规的溶液纺丝相似，溶剂的性质对溶液电的静电纺丝纤维的成形与结构和性能有很

大的影响，溶剂的挥发性对纤维的形态起着重要的作用。

4静电纺丝技术的应用

随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，

将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

①在生物医学领域，纳米纤维的直径小于细胞，可以模拟天然的细胞外基质的结构和生

物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和

器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入

人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因此，

其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等

方面得到了很好的应用。

②纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高，因而，降低纤维直径成为提

高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点，使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。

③静电纺纤维能够有效调控纤维的精细结构，结合低表面能的物质，可获得具有超疏水

性能的材料，并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静

电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用，必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料

与基体材料的结合牢度等。

④具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率，因此静电纺纤维

材料可作为模板而起到均匀分散作用，同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性，还可

以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应，提高催化效能。

⑤静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。此外，静电纺纳米纤维还可用于能源、光电、食品工程等

领域。

5静电纺丝的技术进展

5.1静电纺丝法的技术改进

（1）共静电纺丝

2003年，德国菲利浦大学与以色列扎司门（Zussman）一起开发了共静电纺丝技术。这

种纺丝技术有2种溶液，使用2个喷嘴。在喷嘴的前

端形成复合液滴，产生喷射流，内侧的液滴也进入到喷射流之中。因此，液滴控制较困难。如果控制得好，则变成芯-壳结构，使用这种方法也可以制造中空纤维。

（2）TUFT的开发

TUFT是管形纤维模板的缩写，是用聚合物制造纳米纤维，使其他聚合物、金属、陶瓷等

吸附在纳米纤维上，然后除去原来的聚合物，中间变成中空。也可以制成复合层，制作纳米

电容器。例如，如果在钯粒子的外侧添加聚合物，就可以得到内侧是导电体、外侧有绝缘层

的纳米电缆。如果使铝附着在聚合物上，就可以得到氧化铝管；使铬附着在聚合物上，也就

得到铬管。

（3）复合喷嘴

静电纺丝基本上是采用喷嘴方式，日本滋贺县立大学开发了复合喷嘴。为了连续制造纳

米纤维非织造布，复合喷嘴不可缺少。由于各喷嘴上、下、左、右的间隔大，静电排斥的影

响变小。因此，一般按左、右10mm、上、下50mm的间隔配置喷嘴。喷嘴采用内径0.5mm

的不锈钢管，使用耐药品性好的氟橡胶管向各钢管输送溶液。各不锈钢管插入到铜管上所开

的孔中，对该铜管施加高电压。为此，不锈钢管要固定到和铜管牢固接触的程度，但可以拆卸。现在使用的喷嘴为线状排列形式。

5.2 M-ESP的开发