国内外静电纺丝技术的研究进展
静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展
图 ２ 各种制备有序静电纺丝的方法
２．１ 转轴法 Ｍａｔｔｈｅｗｓ 等 ［１２］ 借 鉴 传 统 纺 织 工 艺 的 方 法 ，
在电纺装置中用一转速可调的转轴作为接收极， 落下的纤维缠绕在转轴上， 当转速合适时可以 得到平行于转速方向的纤维。通过这种方法， 他们制备了有序的胶原质纤维， 但排列效果不 是 太 好 。采 用 这 种 方 法 ， Ｃｈｅｗ 等 ［１０］ 制 备 了 排 列有序的生物可降解的纤维。作为一种操作简
２ 合成纤维 Ｓ ＦＣ ２００８ Ｎｏ．６
Ａ－ 纤维的受力分析示意图； Ｂ－ 纤维平行垂直于电极方向排列 ［１３］ 图 ３ 平行电极法
Ｋａｔｔａ 等 ［１１］ 受到 Ｌｉ 等平行电极方法的启发， 对转 轴做了一些改进。他们采用铜线外框转轮作为接收装 置 （ 如图 ４Ａ 所示） ， 纤维一方面可以随着转轮的转动 绕在转轴上， 另一方面每两个平行导线可以看作平行 电 极 诱 导 纤 维 排 列 。Ｋａｔｔａ 等 制 备 的 纤 维 排 列 程 度 较 Ｍａｔｔｈｅｗ 等有较大提高 （ 图 ４Ｂ） 。
Ａ－ 图案化电极； Ｂ－ 中心位置纤维的扫描电镜照片 ［１５］ 图 ５ 图案化电极法
２．５ 导电模板法 Ｚｈａｎｇ 等 ［１６］ 采用了一种图案化 的 导 电 模 板 作
为接收基底， 这种金属模板由导电金属线构成， 编 织成织物结构， 如图 ６Ａ 所示。电纺纤维会沉积在 图案化的接收基底上， 形成图案化的电纺纤维集合 体 （ 图 ６Ｂ） 。他们的实验结果表明， 金属线的宽度 和这种织物结构所形成的突起是制备图案化纤维的 关键因素。当金属线的宽度过大时， 电纺纤维无规 则排列； 当没有突起时不会形成图案化电纺丝； 设 计不同突起的图案， 可以得到不同相应形貌的纤维 图案。 ２．６ 磁纺法
静电纺丝技术的研究及其应用前景
静电纺丝技术的研究及其应用前景静电纺丝，又称为电纺或电喷丝，是一种高效的聚合物加工技术。
该技术利用静电作用将溶解或熔融的聚合物拉出细丝，形成纤维织物。
静电纺丝技术具有高效、环保和简便等优点，被广泛应用于纺织、医疗、建筑和能源等领域。
这篇文章将说明静电纺丝技术的研究进展和应用前景。
一、静电纺丝技术的研究进展静电纺丝技术最早是由杜邦公司的V.B.吉伦等人在1934年发明的。
随着人们对纤维材料性能和纺织加工工艺需求的不断提高，静电纺丝技术也得到了广泛的研究。
目前，静电纺丝技术的研究主要集中在两个方面：一是改善纤维品质，二是提高工艺效率。
1. 改善纤维品质静电纺丝组合机构的优化是改善纤维品质的重要手段。
一些研究人员通过改变电场形状、控制溶液流速和温度等手段，使它们更好地适应静电纺丝。
此外，通过控制纺丝过程中溶液中聚合物的浓度和粘度，或者加入其他化合物，还可以改善纤维的物理性能、光学性能和表面活性。
2. 提高工艺效率静电纺丝技术的工艺效率主要取决于喷嘴的制作和工艺条件的控制。
研究人员通过选择不同的喷嘴材料、改变喷嘴形状和大小，或者改变加热温度和电压条件，使得喷射速度和纤维直径更加稳定，丝线连续性更好，从而提高了纤维的产量和生产效率。
二、静电纺丝技术的应用前景静电纺丝技术作为一种高效的纺织加工技术，不仅具有广泛的应用前景，而且有着巨大的发展潜力。
1. 纺织静电纺丝技术可以用于制备各种纤维材料。
目前，已经有很多研究人员对多孔材料、高分子纳米纤维和智能纤维等领域进行了研究。
这些材料有着广泛的应用，比如用于过滤、分离和传感器等领域。
2. 医疗静电纺丝技术可以用于制备医用材料，比如医用纳米纤维膜、医用绷带和人工血管等。
这些材料具有高度的生物相容性和良好的渗透性，可以大大提高医疗治疗效果。
3. 建筑静电纺丝技术可以用于制备建筑材料，比如健康气息墙的制备、建筑保温材料和建筑防水材料等。
这些材料具有良好的防水、防火性能，并且能够吸附有害气体和减少空气污染等。
静电纺丝技术及其应用研究
静电纺丝技术及其应用研究一、引言静电纺丝技术是一种利用电荷激发聚合物液体变成细纤维的方法，由于其简单、高效、低成本等优势，在纺织、生物医学、能源领域等得到广泛应用和研究。
本文将从静电纺丝技术的原理、纺丝过程、纤维特性以及应用领域等方面进行深入探讨。
二、静电纺丝技术的原理与纤维形成机制静电纺丝技术利用电荷作用将聚合物液体通过纺丝喷嘴喷射到基底上，通过电荷相互作用来形成纤维。
在电场的作用下，聚合物溶液中的分子会受到电荷的影响而变形，聚合物链会被电荷排斥并随之形成纤维。
纤维的直径和形状可以通过控制喷嘴距离、电压、液体流速等参数进行调节。
三、静电纺丝技术的纺丝过程静电纺丝技术的纺丝过程主要包括聚合物溶液的制备、喷丝装置的设计以及纤维收集等步骤。
首先，将聚合物溶解在适当的溶剂中制备成溶液。
接着，通过高压泵将聚合物溶液推送至喷嘴，在喷嘴的作用下形成细纤维，并通过电荷作用使纤维凝固。
最后，通过电极或转盘等方式将纤维收集起来。
四、静电纺丝技术的纤维特性静电纺丝技术制备的纤维具有许多独特的特性。
首先，纤维直径可调节，从几纳米到几百微米都可以制备。
其次，纤维表面光滑，纤维之间结构紧密，具有较高的比表面积。
此外，静电纺丝技术还可以制备多孔性纤维，具有较好的机械性能和生物相容性。
五、静电纺丝技术在纺织领域的应用研究静电纺丝技术在纺织领域有着广泛的应用。
例如，利用静电纺丝技术可以制备出纳米纤维膜，用于制备高性能滤料、阻燃材料等。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有特殊功能的纤维，如抗菌纤维、防紫外线纤维等。
此外，在服装领域，静电纺丝技术还可以制备出具有高透气性和柔软度的纤维，提升穿着的舒适性。
六、静电纺丝技术在生物医学领域的应用研究静电纺丝技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，利用静电纺丝技术可以制备出纳米纤维支架，用于组织工程和药物释放等。
此外，静电纺丝技术还可以制备出具有控释功能的纤维载体，用于缓释药物。
此外，在伤口敷料和人工皮肤的制备中，静电纺丝技术也发挥了重要作用。
当前国内外静电纺同类课题研究现状
静电纺丝与传统的纺丝方法不同，它可以得到纳米/亚微米级的纤维。
静电纺丝具有制备方法简单、材料可选择范围广、形貌可控、比表面积高等优点，在能源存贮、卫生保健、生物技术、过滤以及防护安全等许多领域有着十分广泛的应用。
所以该纺丝方法一经发明就引起了人们的极大关注。
1999年Reneke等利用电场纺丝得到聚丙烯腈纤维和沥青纤维，再进行稳定化处理、碳化制得了直径为100nm到几微米的碳纤维。
2003年美国Pennsylvania 大学Santiago-Aviles提出静电纺丝制备HCMFs的技术，他们将PAN和N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合后纺出的单前驱体PAN纤维在真空炉中高温(1273K)分解30min，得到直径120nm左右高度无序的纤维。
从这个时候起，各国的科研研究人员就对该纺丝方法进行研究，静电纺丝技术得到了迅速的发展：例如运用同轴纺丝技术可以制备出中空纳米管和具有皮芯结构的纳米线。
Xia等采用PVP 作为芯层，PVP与Ti(OiPr)4的乙醇溶液作为皮层，经同轴静电纺获得皮芯型纳米复合纤维，通过辛烷萃取除去芯层的矿物油后得到了含有PVP和Ti(OiPr)4的中空纤维，或通过高温锻烧除去纤维中的PVP成分也能够获得多晶的纳米陶瓷管。
Song等用油酸作稳定剂将FePt磁性纳米粒子分散在己烷中，作为芯液；PCL 溶解在2, 2, 2-三氟乙醇中，作为壳液，纺出了FePt/PCL皮芯结构的纳米纤维。
静电纺丝过程中，又存在许多的原因，使得收集到的纤维是不规则排列的，这样得到的纤维是没有实际上的应用，所以必须改进实验装置来进行。
现在基本上都是通过改进收集装置从而获得定向收集的纤维，例如采用平行板收集法、动静态水浴收集法、滚筒式平行电极接受、锥形圆盘接受等，所收集到的纤维有序程度都有很大的提高。
静电纺丝在过滤方面的应用发展的较快，例如用可以用四氟乙烯聚合合成聚四氟乙烯（PTFE）氟碳聚合物，但是在生产过程中必须加入许多润滑添加剂，会造成严重的环境污染。
静电纺丝技术及其在含能材料应用中的研究进展
第43卷第6期2 0 20年12月569火炸药学报Chinese Journal of Explosives & PropellantsDOI ：10. 14077/j. issn. 1007-7812.201911003静电纺丝技术及其在含能材料应用中的研究进展王为民1!!赵凤起S 徐抗震杨燕京S 李 辉S 张建侃1#•西安近代化学研究所$陕西西安710065； 2.西北大学化工学院$陕西西安710069）摘要：概述了静电纺丝设备基本的工作原理及主要过程工艺参数对产物组成和表面形貌结构的影响，其原理为高压电场中的聚合物溶液在静电力作用下克服表面张力进行射流拉伸、鞭动细化，最后在接收装置上形成纳米纤维（综述了静电纺丝工艺在超级铝热剂、单质含能材料和固体燃料纳米化及爆炸物荧光检测领域的应用研究进 展（研究结果表明，静电纺丝技 形貌 和纳米化的，在材料中纳米AH 的表面氧化和 应烧结 、提高和（「$纳米化对、提高、 、力学 的效果（展了静电纺丝 化纳米复合 在今后的研究 和应用 （关键词：应用化学；纳米技术；静电纺丝；聚合物加工；复合；纳米 纤维中图分类号：TJ55；O69文献标志码：A文章编号：1007-7812（2020）06-0569-09Electrospinning Technique and Its Recent Progress in the Applicationof Energetic MaterialsWANG Wei-min 112 $ ZHAO Feng-qi 1 $ XU Kang-zhen 2 $ YANG Yan-jing 1 $ LI Hui 1 $ ZHANG Jian-kan 1(1. Xi'an Moder n Chemistry Research Institute $ Xi'an 710065 $ China ；2 . School of Chemical Engineering, Northwest University , Xi'an 710069 $ China )Abstract : The work!ng mechanism of electrospinning apparatus and the effects of main process parameters on the compositionand morphology of fibers are introduced in detail. The basic principle is that charged droplet in the high-voltage electric field overcomes the surface tension of the polymer solution as a function of electrostatic force and then undergoes a stretching andwhippingproce .$leadingtofina l ytheformationoflongandthinnanofiber.onagroundedco l ector.Inaddition $therecent progress of the applicaiion of electrospinning technique in the field of superthermites $ nanocrystalization of single energetic ma terials and solid fuels $ and the ultrasensitive fluoresce n ee detect io n of explosives is reviewed. The results show that the electro spinning technique is an effective method to control the morphology of nanofibers and achieve the nano-crystalization of ener getic materials. It can effectively inhibit the surface oxidati o n and pre- react io n sinter!n g of nano alumi n um particles for the the-- mite-type en e rgetic materials. Also$ it can in c rease the dispersi o n of particles and improve the reactio n efficie n cy and the heat release of react!on. Meanwhile, the nano-crystalization of energetic materials by the electrospinning technique has remarkablee f ectsonimprovingthecombustiondecompositioncharacteristics $increasingtheenergydensity $reducingthesensitivity $andenhancingthemechanicalpropertiesofenergeticmaterials.Fina l y $thefutureresearchtrendsandapplicationofelectrospinningfunctionalizednano-energeticcompositesarealsoprospected.Keywords : applied chemistry ； nan o tech n ology ； electrospin n ing ； polymer processing ； composites ； nano-en e rgetic nano f ibers引言和焊接等领域（设计和制备高能量密度、高释能效率和 的复合 展含能材料被广泛应用于弹药、航空航天、采矿的重要方向）12（纳米材料尺度处于原子簇和宏观收稿日期=2019-11-04；修回日期：2020-06-08基金项目：国家自然科学基金(No. 21173163； No. 21503163)作者简介：王为民(1992-)$男，博士研究生，从事纳米材料研究(E-mail ： 1633541139@ 通信作者：！(1963-)$男$$研究员$ 进剂及含能材料研究(E-mail ： ***************引用本文：王为民，赵凤起，徐抗震，等•静电纺丝技术及其在含能材料应用中的研究进展火炸药学报2020,43(6):569-577.WANG Wei-min, ZHAO Feng-qi $ XU Kang-zhen$t al. Electrospinning Technique and Its Recent Progressin the Application of Energetic Materials)* . Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao) ,2020,43(6) ： 569-577.570火炸药学报第43卷第6期物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，呈岀独特的理化，具系列独特的效应，如表面效应、小尺寸效应等纳米化在改'应深度、增大放，提高放速率和，卩，增强力学面表现岀的优势。
静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景
静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景一、本文概述本文旨在深入探讨静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景。
我们将详细阐述静电纺丝技术的基本原理，包括其工作原理、操作步骤以及关键影响因素。
接着，我们将概述当前静电纺丝纳米纤维的研究现状，包括纳米纤维的制备技术、性能调控以及应用领域等方面的最新进展。
我们将展望静电纺丝纳米纤维的未来应用前景，分析其在各个领域中的潜在应用价值以及可能面临的挑战。
通过本文的综述，我们希望能够为相关领域的研究人员提供关于静电纺丝纳米纤维的全面了解，并为未来的研究提供有益的参考和启示。
我们也期望能够引起更多研究者对静电纺丝纳米纤维技术的关注，共同推动其在各个领域的广泛应用和发展。
二、静电纺丝纳米纤维的工艺原理静电纺丝是一种利用静电场力将高分子溶液或熔体拉伸成纳米级纤维的技术。
其工艺原理主要涉及到电场力、表面张力和高分子链的缠结作用。
在静电纺丝过程中，高分子溶液或熔体被置于一个强静电场中。
当电场强度足够大时，液体表面电荷密度增加，形成泰勒锥。
随着电荷的不断积累，电场力克服表面张力，使得泰勒锥的尖端形成射流。
射流在电场力的作用下被迅速拉伸，同时溶剂挥发或熔体冷却固化，最终形成纳米级纤维。
在这个过程中，高分子链的缠结作用也起到了关键作用。
高分子链之间的缠结使得纤维在拉伸过程中保持一定的结构稳定性，防止纤维断裂。
缠结作用还有助于纤维在接收装置上的沉积和收集。
静电纺丝技术具有操作简便、纤维直径可控、可制备多种材料等优点，因此在纳米材料制备、生物医用、环境保护等领域具有广泛的应用前景。
通过深入研究静电纺丝纳米纤维的工艺原理，可以进一步优化纺丝过程，提高纤维的性能和产量，为相关领域的科技进步做出贡献。
三、静电纺丝纳米纤维的现状静电纺丝技术自其诞生以来，在纳米纤维制备领域已经取得了显著的进展，并逐渐发展成为一种高效、可控的纳米纤维生产方法。
目前，静电纺丝纳米纤维的研究与应用已经涉及到了众多领域，如环境保护、生物医疗、能源科技、纺织工程等。
静电纺丝聚氨酯纳米纤维的应用研究进展
生物组织工程是修复或替换受损人体器官以重 建其功能的一项重要医学技术。生物组织工程涉及 的领域主要分为生物支架、细胞和生长因子3个部 分⑴］，其中生物支架为细胞提供所需要的基体，通 过构建组织工程支架来替代原有的受损皮肤，将会 降低大面积皮肤修复的成本。静电纺丝纳米纤维与 天然细胞外基质结构类似，可以应用于生物组织工 程支架的构建。聚氨酯软硬段之间的微相分离结 构，利于细胞的附着和生长，因此静电纺丝聚氨酯纳 米纤维生物支架广泛应用于血管、心脏和皮肤等生 物组织工程中。Jaganathan等,12-将肉豆蔻油和聚氨 酯混合，利用静电纺丝制备生物组织工程支架。结 果发现，肉豆蔻油可有效降低聚氨酯的润湿性 ，改善 表面光滑度;此纳米复合材料的抗凝血性实验表明， 其抗血栓形成性比不加肉豆蔻油的静电纺丝聚氨酯 纤维更强。Puperi等⑴-通过静电纺丝得到聚氨酯 和聚乙二醇水凝胶组成的复合支架，该支架的多层 结构可实现细胞的3D培养。通过静电纺丝聚氨酯 网眼层的设计，调整支架可模拟自然主动脉瓣的拉 伸性、各向异性和可延展性,为进一步了解纤维化瓣 膜疾病提供模型。
[5 - HU X, LIF S, ZHOU G, et al. Electrospinning oi polymeac nanofibero for dag delivea applications[ J]. Jouaial oi Controlled Re lease, 2014,185:12—21.
静电纺丝技术应用现状及发展趋势
静电纺丝技术应用现状及发展趋势概述静电纺丝技术是一种通过静电作用将高分子溶液或熔体纺丝成纤维的方法。
该技术具有高效、低能耗、易于操作等优势，因此在纺织、医疗、材料科学等领域得到广泛应用。
本文将以静电纺丝技术应用现状为基础，探讨其发展趋势。
一、静电纺丝技术应用现状1. 纺织领域静电纺丝技术在纺织领域得到了广泛应用。
通过调节溶液配方、纺丝参数等，可以制备出具有不同性能的纺织品，如细纤维滤材、高吸附性纤维、电磁屏蔽材料等。
此外，静电纺丝技术还可用于纤维增强复合材料的制备，提高材料的强度和导电性。
2. 医疗领域静电纺丝技术在医疗领域具有广阔的应用前景。
通过静电纺丝技术制备的纤维具有高比表面积和多孔结构，可以用于制备医用纺织品、修复组织工程支架、药物缓释系统等。
例如，静电纺丝技术制备的纤维材料可以用于制作创面敷料，具有良好的吸附性和渗透性，能够促进伤口的愈合。
3. 材料科学领域静电纺丝技术在材料科学领域发挥了重要作用。
通过调节纺丝参数和材料组分，可以制备出具有特殊结构和功能的纤维材料。
例如，静电纺丝技术可以制备出具有高比表面积和孔隙结构的纳米纤维薄膜，用于催化、传感和能源存储等领域。
此外，静电纺丝技术还可以用于制备纤维增强陶瓷材料、纤维增强金属复合材料等。
二、静电纺丝技术的发展趋势1. 工艺改进静电纺丝技术在溶液配方、纺丝参数等方面存在一些挑战，如纤维直径分布不均匀、低产率等问题。
因此，未来的发展趋势之一是改进静电纺丝工艺，提高纺丝的稳定性和一致性。
这可以通过优化溶液配方、改进纺丝设备和控制系统等措施实现。
2. 多功能材料开发随着对功能材料需求的增加，静电纺丝技术在制备多功能材料方面具有广阔的应用前景。
未来的发展趋势之一是开发具有多种功能的纤维材料，如光学性能、电子性能、力学性能等。
这可以通过改变纺丝参数、材料组分和纤维结构等方式实现。
3. 与其他制备技术结合静电纺丝技术在制备纤维材料方面具有独特的优势，但也存在一些限制。
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展鲍桂磊;张军平;赵雯;朱娟娟;王改娥【摘要】Due to tiny diameter, big specific surface area, and the ability to achieve surface functionalization easily, nanofibers are attracting great attention, and electrospinning technology is considered to be the most simplest and effective way to prepare polymer nanofibers, many researchers at home and abroad have studied the electrospinning technology in detail. In this paper, the working principle of electrospinning was introduced briefly, and influential factors on the electrospinning process were analyzed, such as solvent, consistency and viscosity, conductance, applied voltage, flow rate and distence between the gaps. In addition, application of electrospun nanofibers in the fields of filter media material, sensors and biomedical engineering was described, and some problems of this technique were pointed out as well as countermeasures.%纳米纤维具有直径小、比表面积大和易于实现表面功能化等优点，受到了广泛的关注，而静电纺丝技术被认为是制备聚合物纳米纤维最简单有效的方法，因此国内外学者对静电纺丝技术进行了详细的研究。
静电纺丝
静电纺丝原理及研究进展摘要纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。
在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,越来越引起人们的关注。
简述了国内外静电纺丝的研究现状;介绍了静电纺丝的制备原理、静电纺丝装置的改进、影响纤维成形的主要工艺参数及纤维形态;叙述了静电纺丝纳米纤维在过滤材料、生物医学和传感器等方面的应用;展望了静电纺丝的发展方向。
关键词：静电纺丝；发展；原理；应用1 国内外研究现状美国的有关静电纺丝的文献占了全世界的一半以上,总体看来国外的静电纺丝技术较国内的系统和完善。
国外对静电纺丝的研究主要集中在以下几个方面:(1)研究多种合成聚合物和天然聚合物的静电纺丝工艺,分析影响纺丝的因素及其纤维表征。
(2)研究电压、喷丝口与接收屏之间的距离、纺丝液的浓度和流量等静电纺丝工艺参数对静电纺纤维的直径及表面形态的影响,分析纺丝工艺的规律,以建立各工艺参数关系的理论模型。
(3)静电纺丝所得制品在生物领域中的应用研究(4)静电纺丝装置和方法上的创新,是近来静电纺丝研究中的一个热点。
与国外相比，国内的研究大约从2002年开始，东华大学研究了静电纺丝的工艺参数对聚丙烯腈纤维直径的影响[8]，同济大学进行了导电聚合物纳米纤维静电纺丝工艺的研究[9]，北京化工大学用静电纺丝法制得聚乳酸纳米纤维无纺毡[10],中国科学院用静电纺丝法制得了纳米级聚丙烯腈纤维毡[11]。
总之国内的静电纺丝起步较晚,对静电纺丝的研究主要是通过选择适当的聚合物溶液纺制纳米级纤维,目前还着重于工艺参数对纤维形貌和直径的影响及其纤维形貌的分析。
2 静电纺丝基本原理及装置2.1 静电纺丝基本原理一般的静电纺丝装置包括高压电源、溶液储存、喷射和接收装置,相对应可以分为5个过程:流体带电、泰勒锥的形成、射流的细化、射流的不稳定和纤维的接收[12]。
其中最重要的是泰勒锥的形成。
溶液处于储液管中,有外加电极时会在电场作用下形成液滴,没有外加电极作用时,由于重力作用,在溶液与管壁的粘附力、本身的粘度和表面张力的作用下形成悬挂在管口的液滴,在电场力的作用下液滴表面布满了电荷,电荷之间的库仑斥力与液滴表面张力相反,当电场强度增大时,液滴表面的电荷密度增大,库仑斥力大于表面张力,液滴曲率发生变化被拉长成锥形,锥角为49. 3b,这一带电液体称为泰勒锥。
静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展
第1期纤维复合材料㊀No.1㊀182024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展何良玉1,黄宇哲1,张宝艳2,彭公秋2,霍红宇2,叶㊀好3,刘㊀勇1(1.北京化工大学,材料科学与工程学院,北京100029;2.中国航空制造技术研究院,北京101300;3.北京化工大学,巴黎居里工程师学院,北京100029)基金项目:中国航空工业集团公司(62502510602)通讯作者:张宝艳,博士,研究员,硕士生导师㊂研究方向为高性能树脂基复合材料㊂E -mail:zhangbaoyan0916@;刘勇,教授,博士生导师㊂研究方向为高分子纳米复合材料㊂E -mail:yongliu@摘㊀要㊀碳纤维复合材料因性能优异而被广泛应用于许多尖端领域,以碳纤维增强树脂基复合材料为主要代表㊂然而,树脂基体自身的脆性,以及复合材料较差的层间断裂抗性仍然是阻碍碳纤维复合材料发展的瓶颈㊂静电纺丝是一种高效且灵活的纳米纤维制备方法,所制备的纳米纤维具有高孔隙率㊁低密度㊁高比表面积等优点,可以通过改善碳纤维表面㊁增强树脂基体以及两者之间的界面黏结作用,实现多种机理的层间增韧㊂本文从树脂基体切入,分为层间颗粒增韧㊁层间纤维膜增韧及复合纳米增韧三部分讨论了近三年的研究成果,并指出了层间增韧领域未来的研究方向㊂关键词㊀静电纺丝;层间颗粒增韧;层间纤维膜增韧;复合纳米增韧;增韧机理Research Progress on Carbon Fiber Composites Toughenedby Electrostatic SpinningHE Liangyu 1,HUANG Yuzhe 1,ZHANG Baoyan 2,PENG Gongqiu 2,HUO Hongyu 2,YE Hao 3,LIU Yong 1(1.School of Materials Science and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029;2.AVIC Manufacturing Technology Institute,Beijing 101300;3.Ecole de Chimie de Pékin,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029)ABSTRACT ㊀Carbon fiber composites are extensively employed in cutting -edge fields due to their remarkable perform-ance,especially resin matrix composites.However,the brittleness of the resin matrix and the poor interlaminar fracture re-sistance of the composite remain significant obstacles to the advancement of carbon fiber composites.Electrospun nanofibers that is a highly efficient and flexible technique offer a potential solution to these challenges.They possess advantageous properties such as high porosity,low density,and high specific surface area characteristics,which enable them to enhance interlayer toughness through multiple mechanisms,including surface improvement of carbon fibers,reinforcement of the res-in matrix,and improved interfacial bonding between the two components.Electrostatic spinning technology has achieved re-markable research progress and application results in a number of fields,and has a wide range of potential applications.This article starts with an introduction to the resin matrix and then discusses the research achievements of the past three years in three parts:interlayer particle toughening,interlayer fiber membrane toughening,and composite nanotoughening,and gives insights into future research directions in the field of interlayer toughening.KEYWORDS ㊀electrospinning;toughening of interlayer particles;toughening of interlayer fibre film;toughening compos-ite nano;toughening mechanism㊀1期静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展1㊀引言碳纤维材料早在几十年前就已经作为非常有潜力的材料在航空航天等尖端领域得到广泛研究,但由于其价格昂贵,并未能广泛应用㊂随着科技的进步,研究者们不断优化和改进生产工艺,碳纤维材料在近几年成为了应用广泛的新型材料,在多个领域取得了良好的应用效果[1]㊂碳纤维材料虽然具备高强度等优良性能,但是单独使用的碳纤维材料往往存在韧性差㊁抗冲击性差和易分层等缺陷,不能满足实际使用场景需求,还容易造成资源浪费[2]㊂碳纤维材料因具有柔性特征,能与多种金属或者非金属材料复合使用,既能保持原材料的特征,又能表现出独有的特性㊂碳纤维增强复合材料主要包括碳纤维增强陶瓷基复合材料㊁碳/碳复合材料㊁碳纤维增强金属基复合材料㊁碳纤维增强树脂基复合材料等[3-4]㊂相比于传统材料,碳纤维复合材料在密度㊁比强度㊁比模量㊁抗疲劳特性和抗震性能等方面[5]更胜一筹,同时具有良好的可设计性,在能源[6]㊁无人机[7]㊁航空[8]㊁生活[9]领域中有广泛的应用,其制备技术得到了快速发展[10]㊂目前,碳纤维复合材料以树脂基碳纤维复合材料为主,航空航天领域为树脂基碳纤维复合材料最大需求端,在航空航天领域,树脂基碳纤维复合材料常用于制造飞机重要部件,能够达到显著减重效果[11]㊂自上世纪90年代,静电纺丝技术因其高纳米级纤维制备能力㊁简便可控的制备方法以及广泛的应用领域而越来越受到关注㊂快速发展的静电纺丝技术成为制备增韧碳纤维膜填料最常用的方法㊂静电纺丝工艺提供了直接且性价比高的可能,并具有批量生产的可扩展性[12],静电纺丝制备出的纳米纤维具有轻薄㊁高孔隙率㊁微小体积㊁高机械性能等特点[13],目前,静电纺丝及其制备的纳米纤维备受研究者们关注㊂韧性是判断碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)性能的主要参数,CFRP的韧性主要取决于碳纤维㊁树脂基体以及碳纤维与基体间的界面作用,碳纤维/环氧树脂复合材料(Carbon fiber/Ep-oxy resin,CF/EP)由于环氧树脂基体特殊的三维网状结构,其脆性大,导致复合材料层间出现分层现象,这个问题限制了CF/EP进一步发展㊂复合材料层间断裂形式分为三种,如图1所示,I型(层间张开)㊁II(层间滑动)和III型(层间撕裂)[14]㊂Ⅰ型的裂纹开口主要取决于裂纹张开的位移,测试方法为双悬臂梁测试(DCB),通过在复合材料中间施加向上的力,使其产生曲率诱发断裂,通常用GIC表示施加的载荷㊁裂纹扩展的位移以及观察断裂表面的特征等结果㊂Ⅱ型是纤维层和基体层之间发生相对滑动导致的断裂,常用的测试方法为端切口弯曲测试(ENF),在复合材料板材间施加弯曲载荷,微裂纹随着施加载荷增加不断扩展,测量滑动位移来评估层间滑动的临界应力,测得的结果用II型层间断裂韧性(GIIC)表示[15-16]㊂Ⅲ型表现为层间撕裂,测试方法罕见,且层压板的分层拉脱和断裂以Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂为主[17],因此研究人员通常只关注Ⅰ型和Ⅱ型断裂㊂图1㊀层间断裂形式:(a)Ⅰ型(b)Ⅱ型(c)Ⅲ型[15](d)DCB测试机理(e)ENF测试机理[16]本文将对近年来碳纤维材料层间增韧相关研究依据实现原理分为层间颗粒增韧㊁层间纤维膜增韧和复合纳米增韧三类,并进行梳理和讨论㊂2㊀层间颗粒增韧层间颗粒增韧是一种有效的复合材料改性方法,旨在提高其抗裂纹扩展和冲击性能㊂该方法通常在材料的不同层之间引入热塑性树脂颗粒,吸收能量的方式主要是通过颗粒桥联㊁屈服㊁裂纹偏转等机制实现[18],通过这种方式提高材料的韧性和强度提高复合材料的断裂韧性[19]㊂在传统的层合板中添加其他物质能增强复合材料的抗弯性能㊂赵泽华[20]通过选择与邻苯二甲晴(SPN)树脂耐热性相匹配的热塑性聚亚胺(PI)颗粒,采用层间增韧的方法制备了改性复合材料㊂91纤维复合材料2024年㊀研究发现,随着PI掺入量的增加,复合材料的玻璃化转变温度[21]呈下降趋势㊂引入PI颗粒可显著提高复合材料的韧性,其中10wt%PI改性复合材料的层间剪切强度提高了41.2%,15wt%PI改性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性提高了156.3%㊂然而,当PI的质量分数进一步提高时,会出现粒子团聚现象,导致复合材料的层间剪切强度下降㊂此外在380ħ下加入PI颗粒改性的材料与未改性的复合材料效果无明显差异,即在该温度下复合材料的韧性与PI颗粒含量无关㊂纳米级颗粒虽然展现了不错的效果,但是其成本高,无法做到工程应用,不锈钢价格低易生产,且性能稳定,具备工程实际应用潜力㊂张耀[22]结合层合板结构特点,制备了一种层间含不锈钢颗粒增韧的碳纤维/环氧复合材料层合板,成型过程中,研究人员充分利用不锈钢的高强度和刚度,用手糊成型法将不锈钢颗粒混入复合材料层间,显著改变了层合板存在的结构缺陷,如图2所示㊂同时颗粒在层间与基体结合提高了复合材料薄层,该薄层相较于未添加的层合板具有更高的强度和模量,抗弯性能也有所提升,当每层颗粒含量分别为30g/m2㊁45g/m2和60g/m2时,层合板的弯曲破坏强度分别达到了454MPa㊁506MPa以及569MPa,而未加入不锈钢颗粒增强时的弯曲强度为399MPa,因此将不锈钢颗粒作为层间填充物在大规模应用上具有发展潜力㊂3㊀层间纤维膜增韧层间纤维膜增韧是将纤维膜插入复合材料不同层之间来提高材料的性能㊂纤维膜通常是静电纺丝制备的纳米纤维膜,纳米级别的纤维,有高拉伸强度和高比表面积等特点,因此能在微小尺寸下发挥优势㊂余超[23]利用静电纺丝技术制备了聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜,并对纤维的结构及性能进行了表征,他们发现:在进行Ⅰ型层间断裂的测试时,面密度为4g/m2㊁8g/m2的PI纳米纤维膜显著提高了碳纤维环氧复合材料的GIC值,与未增韧试样相比分别增加了45.2%㊁77.9%㊂然而在Ⅱ型层间断裂测试时发现加入PI纳米纤维膜并未起到增韧效果,GIIC值反而分别降低了6.0%和4.8%,表明PI纳米纤维膜在复合材料层间缓解Ⅰ型断裂模图2㊀(a)Micro-l扫描试件内部果粒分布;(b)EM扫描试验件平面口颗粒分布;(c)验载荷-挠度曲线及弯曲模量对比;(d)弯曲破坏强度及其提升率[22]式有明显作用,仍需改善方案提高GIIC值达到更好的增韧效果㊂胡国芳[24]制备聚丙烯腈(PAN)纤维膜,并通过碳化的方式得到纳米碳纤维膜㊂实验中研究人员在碳化前先进行阶梯式预热处理,由于溶剂挥发和聚合物链结构变化影响纳米碳纤维膜的性能,这个步骤主要通过逐渐升温来解决预氧化过程导致大量单纤断裂的问题,以增强纳米碳纤维膜的力学性能㊂经研究发现,经过预热处理最终得到的纳米碳纤维膜的石墨微晶尺寸以及sp2杂交程度有所改善,力学性能得到明显提升,纳米碳纤维膜的最终拉伸强度提高到112MPa㊂聚己内酯(PCL)和尼龙(PA)是非常热门的增韧材料,其中的原因是这两种材料其固有韧性较高[25]㊂Klllçoĝlu[26]等将PA6与PCL混合,增强它们与基体的作用,并激活它们共混交织后的协同增韧机制㊂研究表明:将复合材料界面与平均面密度为6.6ʃ0.8g/m2的PA6和PCL的纤维共混物交织,在裂纹萌生和扩展阶段都提高了GIC界面韧性02㊀1期静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展值㊂在质量分数比例为PA6:PCL=60:40的共混物中得到了最高的改进,并且使用纤维共混物交织的面纱有助于触发基于纤维横截面内相分离的顺序增韧机制,在低PCL浓度下,纤维完整性在固化过程中不会受到影响,并且可以顺序激活纤维脱粘和桥接机制㊂一些研究者考虑了材料的环境友好性,Meire-man等人[27]将生物基材料聚酰胺11(PA11)及其嵌段共聚物(PEBA)作为原材料,制备了静电纺丝纳米纤维膜,并应用于层间增韧㊂研究人员通过调节纤维的直径㊁形态,可得到具有不同机械和热性能的纳米纤维,并通过纤维的混合和交错排列实现优良的层间增韧效果㊂纤维的直径可调节至50 nm,横截面形态包括圆形㊁长方形等㊂由此得到的纤维膜可使碳纤维/环氧树脂层压板的Ⅰ型㊁Ⅱ型断裂韧性分别提高51%和96%㊂自修复功能同样是纤维增韧材料的探索方向之一,Kessler[28]等人通过嵌入愈合剂双环戊二烯(DCDP)的微胶囊,分散在含有催化剂的聚合物环氧基质中,愈合剂与催化剂接触触发聚合物自愈合过程,自修复材料在基体中的自愈合过程如图3所示㊂魏舒亚[29]制备双环戊二烯/尼龙(DCPD/PA)同轴纳米纤维,并对使用聚芳醚砜酮(PPESK)替代PA作为同轴纳米纤维的壳材料进行研究,成功制备了双环戊二烯/聚芳醚砜酮碳纤维环氧树脂复合材料,如图4所示㊂研究发现,自修复复合材料DCPD/PA-CF/EP有效提高了复合材料的力学性能,相较于未添加自修复复合材料的对照组,弯曲强度增加了10.59%,断裂应变和断裂功分别提高了11.26%㊁53.69%㊂此外,在失效2h后,材料的强度能够恢复到原始水平的83.74%㊂用PPESK 替代PA制备出的复合材料提高了愈合剂DCPD的包封率,愈合能力会随着愈合剂包封率的提高而增强,在最佳条件下可达89.43%,同时,复合材料的弯曲强度㊁断裂应变和断裂功分别增加了8.97%㊁26.14%和62.12%㊂郝晓函[30]制备了自增强型纳米纤维/聚亚胺复合材料,并研究了其机械性能㊁自修复性能㊁透光性和热稳定性㊂他们将聚亚胺纳米纤维作为增强相,证明了动态聚亚胺具有本征的自修复性㊁刺激响应性㊁环境适应性㊁可锻塑性和可完全回收性等动态图3㊀(a)形成裂纹㊁毛细管释放愈合剂㊁催化剂与愈合剂接触触发聚合的过程;(b)愈合剂和催化剂的微胶囊嵌入基质中自主愈合[28]图4㊀自修复复合材料的制造过程和修复机理示意图特性㊂Chen等人[31]实现了电纺热塑性PA纳米纤维的自修复功能,仅使用1.2wt%的PA纳米纤维即可实现三个周期的材料自修复,并保证最终能恢复至少93.43%的层间剪切强度和至少71.02%的弯曲强度㊂在此基础上进一步[32]通过同轴静电纺丝制备了核壳结构的纳米纤维,层间断裂时,熔化的PA外壳破裂,并在愈合温度下释放出所有芯材,核㊁壳可以共同充当愈合剂,填充受损区域㊂此外,Wan等人[33]将单壁碳纳米管(MWCNTs)引入静电纺丝中,通过碳纳米管出众的导热性,使得材料受热修复时保持质地均匀,实现了无自损修复㊂12纤维复合材料2024年㊀4㊀复合纳米增韧碳纳米管复合增韧碳纤维/环氧树脂复合材料结合了碳纳米管优异的力学性能㊁热塑性树脂的高韧性以及热固/热塑/碳纳米管复相结构的协同效应,体现了复合材料发展的无限潜力㊂图5㊀(a)碳纳米管结构[34];(b)碳纳米管的层内和层间增强[35];(c)热塑性树脂/碳纳米管混合式复合与结构式复合示意图[36]探究复相结构的协同效应如图5所示,姚佳伟[36]深入研究了热塑性树脂酚酞基聚醚酮(PEK -C)/碳纳米管(CNTs)对碳纤维复合材料增韧的效果㊂通过复合材料与PEK -C 薄膜的对比,研究PEK -C /CNTs 协同层间增韧复合材料的微观结构和性能,发现PEK -C 薄膜的引入,降低了复合材料的弯曲程度和弯曲模量[37],PEK -C 薄膜与基体经过一系列变化形成了三种相结构,有助于提高断裂韧性,GIC 提高了90.6%㊂在此基础上将CNTs 引入到增韧膜中,GIC 进一步提高了16.9%㊂CNTs 集中分布于PEK -C 均相中,增强了PEK -C 与环氧基体之间的相互作用㊂在进一步明确PEK -C /CNTs 协同机理的研究中,发现PEK -C /CNTs 三明治结构层间增韧的复合材料在层间形成了多层分布结构,I 型拉伸载荷下裂纹的往复穿梭,消耗了断裂能量,获得了最佳的增韧效果,其中PEK -C /CNTs /PEK -C 结构膜将GIC 提高了138.1%;Ⅱ型剪切载荷下,三明治结构对GⅡC 增强作用不明显,PEK -C /CNTs 混合膜层间增韧复合材料的GⅡC 最佳㊂基于针状γ-FeOOH [38]研究,付泽浩等[39]探究了聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维膜增韧㊁FeOOH 增韧及FeOOH 协同PVDF 纤维增韧等3种增韧方式,如图6所示㊂研究表明,FeOOH 在碳纤维布上呈现针状结构,PVDF 纳米纤维表面光滑,无明显取向分布,空间分布均匀,且表现出较好的孔隙率,易被环氧树脂基体所浸润㊂Ⅰ型断裂面的微观形貌表明,引入FeOOH 后,基体与PVDF 纤维㊁碳纤维的界面间存在FeOOH 的机械咬合作用并提高了摩擦力,增强了基体与纤维间的界面相互作用㊂从Ⅱ型断裂面的微观形貌能够看出:加入的FeOOH 能阻止裂纹生长,复合材料层压板在断裂过程中吸收了更多的能量,诱导梯形裂纹发生改变;PVDF 通过桥接㊁脱粘㊁拉伸变形及断裂等方式阻止裂纹生长㊂同时,引入FeOOH 纳米粒子协同PVDF 有效提高了断裂韧性,当FeOOH 面密度为2g /m 2时增韧效果最优,GIC 和GIIC 分别达到1.09kJ /m 2㊁4.29kJ /m 2,相对于对照样CF /EP,增幅分别提高118%和97%㊂图6㊀(a)10μm 下FeOOH 纳米粒子的SEM 图像(a )5μm 下FeOOH纳米粒子的SEM 图像(b)50μm 下PVDF 纳米纤维膜的SEM 图像(b )5μm 下PVDF 纳米纤维膜的SEM 图像[39]22㊀1期静电纺丝增韧碳纤维复合材料研究进展㊀㊀向阳[40]使用静电纺丝技术制备了PA66纤维膜,并通过喷涂和混纺电纺的方式引入不同粒子(BN/SiO2)以增强层间断裂韧性㊂研究结果表明,制备的SiO2@PA66纤维膜增强的层压板中,当SiO2的含量为5wt%时,杂化纳米纤维膜展现了最佳增韧效果,GIC由对照样的0.51kJ/m2提高至1.41kJ/m2,相比之下提高了176%;GIIC由对照样的1.79kJ/m2提高至3.75kJ/m2,相比之下提高了109%㊂同样地,BN含量为5wt%时,BN@ PA66在层压板中的增韧效果最佳,GIC由对照样的0.51kJ/m2提高至1.26kJ/m2,相比之下提高了147%;GIIC由对照样的1.79kJ/m2提高至3.4kJ/ m2,相比之下提高了90%㊂加入BN/SiO2粒子后消耗更多的能量,显著提升了层压板抗分层能力㊂5㊀结语碳纤维增强树脂基复合材料应用广泛,但存在脆性大㊁容易分层等固有缺点,因此,关于高性能碳纤维树脂基复合材料制备工艺的研究受到高度关注,其中方法之一为层间增韧技术㊂近年来,层间增韧技术快速发展,取得显著的创新成果,技术路线包括层间颗粒增韧㊁层间纤维膜增韧和复合纳米增韧等㊂研究者引入了有机或无机颗粒㊁静电纺丝纤维和聚合物薄膜等多种形态增韧材料,制备出在层间韧性显著提升的同时,其他力学性能也得以强化的新型树脂基复合材料㊂未来的层间增韧技术将有以下几个发展方向,首先,静电纺丝技术将得到进一步推广㊂静电纺丝制备的纳米纤维已经在层间增韧方面得到了一定的应用,其工艺简单㊁易规模化推广的优势有待进一步开发㊂其次,关于多功能层间增韧材料的研究将得到更大的发展,如增韧材料的自修复性㊁可降解性等满足更多使用场景需求㊂最后,当前对于层间增韧技术的研究多属于实验室验证,而对工业化投产的探索尚显不足,因此,未来的层间增韧材料研究将更多聚焦于产业化验证,或探索更适合工业化的新制备方法㊂参考文献[1]姚鑫,白钰,安学峰,等.连续碳纤维增强聚醚醚酮热塑性复合材料电阻焊接加热元件材料优选研究[J].纤维复合材料, 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静电纺丝的技术进展_王德诚 (1)
1.2 静电纺丝的原理 静电纺丝法是在加入高分子溶液的喷嘴前端
施加高电压或直接对高分子溶液施加高电压 , 在 喷嘴前端的液滴表面 , 电荷集中而互相排斥时 , 从 喷嘴流出的液滴逐渐变 成被称为泰勒锥 的圆锥 状 。电荷的排斥力逐渐增强 , 当排斥力超过表面 张力时 , 液体从圆锥的前端正直喷射 。因为喷出 的溶液流变细 , 表面电荷密度变大 , 电荷的排斥力 增强 , 进一步拉伸溶液流 。 这时 , 由于溶液流的表 面积急速增大 , 溶剂挥发 , 就在捕集电极上形成纳 米纤维 [ 2, 3] 。 1.3 静电纺丝的装置
与其他纳米纤维制造技术比较 , 静电纺丝法 特征是 :可 以直 接制 造 纳米 纤 维 非织 造 布 (薄 膜 );可以在室温下进行纺丝 ;可以应用于广泛的 材料 。
静电纺丝法可 以分类为溶剂 型静电纺 丝法 (S-ESP)和熔 融型静电纺丝 法 (M-ESP)。 S-ESP 是从高分子溶液进行纺丝的方法 , 仅通过控制溶 剂的含量就可使纤维直径变细 , 制造装置简单 , 应 用广泛 。
综述与专论
合 成 纤 维 工 业 , 2009, 32(2):42 CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY
静电纺丝的技术进展
王德诚
(中国纺织工业设计院 , 北京 100037)
摘 要 :简述了静电纺丝的原理 、装置及发展历程 ;比较了溶剂静电纺丝法和熔融静电纺丝法 ;介绍 了静电 纺丝法的技术进展 。指出在熔融型静电纺丝法的研究中 , 开发了具有激光加热部的熔融型静电纺丝装置 , 进 一步突破了纳米纤维的制造技术 。 随着纳米技术的不断发展 , 静电纺丝法制造的纳米纤维应用广泛 , 其发展 前景看好 。 关键词 :静电纺丝法 纳米纤维 技术 熔融型静电纺丝法 进展 中图分类号 :TQ340.1 文献 识别码 :A 文章编号 :1001-0041(2009)02-0042-03
静电纺丝技术及其研究进展
静电纺丝技术的未来发展
静电纺丝技术的未来发展
静电纺丝技术未来的发展将聚焦于提高生产效率、拓展应用领域以及实现绿 色生产等方面。具体来说，以下几个方面值得：
静电纺丝技术的未来发展
1、生产效率：提高生产效率是静电纺丝技术的重要发展方向。未来可以通过 优化生产工艺、引入新型设备等方式提高静电纺丝技术的生产效率，以满足日益 增长的市场需求。
静电纺丝技术的原理与特点
静电纺丝技术的原理与特点
静电纺丝技术是一种利用静电场牵引高分子流体进行定向排列和固化成纤维 的方法。在静电纺丝过程中，高分子流体受到静电场的牵引力，会在负电极表面 形成一层液膜，液膜在静电场中会逐渐变薄并最终固化成纤维。静电纺丝技术具 有以下特点：
静电纺丝技术的原理与特点
1、可制备纳米级纤维材料：静电纺丝技术可以制备出直径为纳米级别的纤维 材料，具有极高的比表面积和孔隙率，有利于提高材料的吸附性能和过滤效率。
静电纺丝技术的原理与特点
2、适用范围广泛：静电纺丝技术可以用于制备各种高分子材料、金属材料和 无机材料等，具有广泛的适用性。
静电纺丝技术的原理与特点
3、生产效率高：静电纺丝技术可以实现大规模生产，有利于降低生产成本和 推广应用。
静电纺丝技术的研究进展
1、静电纺丝技术的分类及其法
静电纺丝技术根据纺丝液的物理状态可以分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝 两种。溶液静电纺丝是将高分子溶液通过注射器注入到电场中，然后高分子溶液 在电场中形成纤维；熔体静电纺丝是将高分子材料加热到熔点以上，通过喷头形 成细丝，然后在电场中固化成纤维。
静电纺丝技术的分类
2、熔体静电纺丝：熔体静电纺丝是将高分子材料加热到熔点以上，然后通过 静电场的作用拉伸成丝。该方法适用于制备高温性能优良的纤维材料。熔体静电 纺丝的优点是可加工温度高，缺点是对于热敏性材料可能会导致热损伤。
静电纺丝技术工业化研究进展
静电纺丝技术工业化研究进展陈明伊I,陈柔羲1,朱健2,张克勤彳，魏凯彳，董伊航"，王欣S王湘麟I(1.南方科技大学材料科学与工程系，广东深圳518055；2.南方科技大学前沿与交叉科学研究院,广东深圳518055； 3.现代丝绸国家工程实验室(苏州)，苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州215123； 4.苏州贝彩纳米科技有限公司，江苏苏州215131)摘要：随着纳米纤维应用领域的不断扩展，我国需要加快纳米纤维批量化生产，以满足市场对纳米纤维产品的大量需求。
静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最常用的方法之一，最有希望成为工业化生产不同种类聚合物纳米纤维的有效方法。
本文介绍了溶液静电纺丝和熔体静电纺丝的基本原理和工艺,综述了目前静电纺丝工业化技术的进展，列举了国内外大型静电纺丝工业生产设备，最后对未来静电纺丝实现大规模化生产研究进行了展望。
关键词：静电纺丝；纳米纤维；工业化中图分类号：TQ340.64文献标识码：A文章编号：1007-9815(2020)06-0053-12Research Progress on Industrialization of Electrospinning TechnologyCHEN Mingyi1,CHEN Rouxi1,ZHU Jian2,ZHANG Keqin3,WEI Kai3,DONG Yihang4,WANG Xin2,WANG Xianglin1(1.Department of Materials Science and Engineering,Southern University of Science and Technology,Shenzhen518055,Guangdong,China；2.Institute of Frontier and Interdisciplinary Sciences, South University of Science and Technology,Shenzhen518055,Guangdong,China；3.National Engineering Laboratory for Modem Silk,College of Textile and ClothingEngineering of Soochow University,Suzhou215123,Jiangsu,China；4.Suzhou Best ColorNanotechnology Co.,Ltd.,Suzhou215131,Jiangsu,China)Abstract:With the continuous extending of the application field of nanofibers,the large一scale production of nanofibers to meet the demand of commercial nanofiber products is required to be accelerated in China.Electrospinning technology is currently one of the most commonly used methods to prepare nanofibers,which is expected to become an effective method for the industrialized production of different kinds of polymer nanofibers.This review introduces the basic theories and technologies of solution electrospinning and melt electrospinning,summarizes the progress of electrospinning industrialization technology at present,especially presents the equipment for the large-作者简介：陈明伊(1988—),硕士研究生，讲师，主要从事功能纳米纤维及其个人防护材料研发，电子邮箱：****************oscale electrospinning industrial production equipment at home and abroad , and finally prospects the large 一 scaleproduction research of electrospinning in the future.Key words ： electrospinning ； nanofiber ； industrialization0引言纳米纤维，是指直径为纳米尺寸而长度比较大的具有一定长径比的线状材料，具有比表面积高、 孔隙率高、连续性好、机械稳定性强等特点，在力学、光学、电学、热学等方面也表现出特异的性能。
明胶静电纺丝的研究进展
第33卷第1期明胶科学与技术2013年3月T he Sci ence and T echno l ogy of G e l a t i n V01．33．N o．1 M a r．2013．明胶静电纺丝的研究进展卢伟鹏张兵+郭燕川”中国科学院理化技术研究所，北京，100190摘要：作为天然高分子之一的明胶无毒无味，具有优异的生物相容性及生物可降解性。
利用静电纺丝技术制备的明胶纳米纤维膜材料能最大程度地仿生天然细胞外基质的胶原蛋白结构，因此在生物医用材料领域具有广泛的应用，引起了国内外学者的普遍关注。
本文介绍了明胶静电纺丝装置、工艺的研究进展，同时总结了明胶静电纺丝纳米纤维膜材料在生物医疗领域内的应用研究情况，并展望了明胶静电纺丝工艺与明胶纳米纤维膜材料的发展趋势和研究方向。
关键词：明胶；静电纺丝；纳米纤维；进展静电纺丝技术(El ect r os pi nni ng f i ber t e ch—ni que)是指带电的高分子溶液(或熔体)在静电场力的作用下拉伸变形，再经溶剂挥发(或熔体冷却)而固化，从而获得纳米纤维的工艺。
静电纺丝这一技术最早在1934年由美国For m hal s提出¨．2J。
1966年，Si m ons发明了一种电纺装置，制备出超薄的无纺布∞J。
1981年M anl ey和La=ondo利用静电纺丝将聚乙烯和聚丙烯熔体制备成连续纤维H“J。
20世纪90年代初，美国阿克伦大学R ene ker课题组对该技术进行了进一步研究，利用静电纺丝技术制备了多种聚合物直径较小的纤维，推动了静电纺丝技术的发展o7，8|。
近十年来随着对纳米材料的广泛应用及独特性能的开发，静电纺丝技}e-m a i l：Z hangbi ng@m ai l．i pc．ac．cn{}e-m ai l：Y anchuanG uo@m ai l．i pc．ac．cn 术的实验和理论工作也得到了深入的研究。
目前已有几百种聚合物通过静电纺丝技术制备出超细纤维材料，其中包括合成的可降解聚合物，例如聚乳酸、聚乙交酯、聚氧化乙烯、聚己内酯等及其共聚物，天然高分子如蚕丝蛋白、纤维蛋白、胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸、D N A 等。
静电纺丝技术的研究进展和应用
静电纺丝技术的研究进展和应用一、静电纺丝技术的概述静电纺丝技术是指利用高压静电场将高分子溶液等液体通过细流管喷头喷丝，形成纳米尺度的聚合物纤维的一种制备方法。
这种纳米纤维具有很高的比表面积和较好的力学性能，被广泛应用于纳米材料、生物医学、环境保护等领域。
二、静电纺丝技术的研究进展1. 静电纺丝过程机理研究静电纺丝过程是一个液体电流的形成和拉伸的过程。
研究表明，高电压静电场导致高分子溶液表面产生电荷，产生电场的作用下，高分子分子链会被拉伸成细丝状，形成纳米纤维。
此外，流体力学、表面化学等因素也会影响静电纺丝的过程和纤维形态。
2. 几何结构控制与优化研究静电纺丝纤维的性能可以通过调整喷头、电场、高分子溶液等条件来进行优化，得到所需的尺寸和结构。
纤维的结构可以通过多轮喷丝、旋转收集板等方式进行调整。
3. 合成和表征新型高分子材料静电纺丝技术可以制备高分子纤维材料，可用于制备各种复杂形态、功能材料。
例如，通过表面修饰和交联等技术，可以制备具有生物相容性、超疏水性和电导性等多种功能的高分子材料。
三、静电纺丝技术的应用1. 纳米复合材料静电纺丝技术可以制备纳米尺度的纤维团束，这些团束可以与其他材料复合，制备出新型的复合材料，并具有新颖的功能和性能。
例如，将纳米纤维和金属纳米颗粒复合，可以制备出高导电性和机械性能的材料。
2. 药物控释静电纺丝技术可以制备出纳米纤维，并将药物控释于纤维中，制备出药物纳米纤维，这种材料可以增加药物的生物利用度，改善药物的纳米传递性能。
3. 空气过滤材料静电纺丝技术制备的非织造聚合物纤维材料可用于空气过滤器制备，因为其结构稀疏，具有高负载，大量的局部滤材料，网状的空间结构捕捉和过滤气体分子。
四、静电纺丝技术的局限性和展望1. 工艺数据选择不正确可能会影响到结构和性能。
2. 目前静电纺丝技术主要是在实验室中使用，大规模制备还需要更多的实验研究和商业开发。
3. 后期稳定性、低温下的保持性和可生物降解性需要进一步改进。
静电纺丝技术在血管组织工程中的研究进展
㊃心血管专栏㊃[收稿日期]2023-01-11[基金项目]河北省自然科学基金(H 2020206451)[作者简介]杨思奥(1999-),女,河北保定人,河北医科大学药学院理学硕士研究生,从事临床药学研究㊂*通信作者㊂E -m a i l :523258665@q q.c o m 静电纺丝技术在血管组织工程中的研究进展杨思奥1,左凌楠2(综述),王晓晖1*,杜 青1(审校)(1.河北医科大学药学院药剂学教研室,河北石家庄050017;2.河北省保定市第一中心医院药剂科,河北保定071000) [摘要] 心血管疾病导致的病死率居全球首位,血管移植手术是临床上常用的治疗手段㊂由于自身移植来源有限,异体移植易发生免疫排斥和感染,因此血管支架对血管修复具有重要意义㊂静电纺丝是一种新型的人工血管制备技术,通过静电高压将良好生物相容性的材料制成血管支架,具有孔隙率高㊁比表面积大㊁机械性能好㊁与天然细胞外基质结构相似等特点,在血管组织工程研究中有较强的优势及广阔的应用前景㊂本文对近年来国内外有关文献进行整理归纳,概述静电纺丝的原理和特点,分析人工血管的结构,通过应用实例介绍天然和合成材料制备的人工血管,以及负载生物活性物质㊁药物和化学物质的功能化修饰的人工血管,展望人工血管未来的发展趋势,以期为相关领域的研究与开发提供参考㊂[关键词] 人工血管;组织工程;静电纺丝 d o i :10.3969/j.i s s n .1007-3205.2024.01.016 [中图分类号] R 318.1 [文献标志码] A [文章编号] 1007-3205(2024)01-0082-07心血管疾病作为全球范围内发病率和病死率最高的疾病之一,严重威胁着人类健康㊂2022年国家心血管病中心发布的‘中国心血管健康与疾病报告2021“显示,目前我国心血管患病率处于持续上升阶段,心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位[1]㊂心血管疾病最常见的原因是动脉粥样硬化,由于动脉壁内脂肪斑块积聚,导致血管阻塞和减少,血液流向下游组织㊂血管搭桥手术或血管移植手术是临床上常用的治疗手段,但是从患者自身获得的自体移植物的供应非常有限,且造成身体二次伤害[2];异体血管植入会产生机体免疫排斥反应,易造成潜在致病菌感染风险[3]㊂因此,研究血管支架的制备工艺及关键技术对血管修复具有十分重要的意义㊂与传统支架的制备方法相比,组织工程技术具有生物相容性良好㊁能批量化生产㊁质量可控㊁无免疫排斥和炎症反应等优点,还可以根据血管受损程度和部位采用不同的材料对其进行修复和重建㊂因此,组织工程技术是有望解决血管疾病难题的重要途径,有着非常广阔的应用前景㊂目前制备组织工程血管支架的方法有冷冻干燥㊁制模㊁3D 打印㊁气流纺丝和静电纺丝等,其中静电纺丝法制备工艺简单㊁可控性强,在血管组织工程中得到广泛应用㊂本文归纳整理近年来国内外相关文献,对静电纺丝技术在血管组织工程中的研究进展进行综述,以期为相关领域的研究与开发提供参考㊂1 静电纺丝技术介绍1.1 静电纺丝的装置及原理 静电纺丝装置由喷头㊁注射泵㊁高压电源和接收器四部分组成(图1)[4]㊂其原理是注射泵推动注射器中的聚合物溶液或聚合物熔融体由喷头喷出,形成小液滴,在高压电场作用下,带电液滴由球形变为圆锥形(T a y l o r 锥),当电场力足够大时,聚合物液滴克服表面张力从圆锥尖端延展形成纤维细丝,溶剂挥发或熔体固化后,纤维丝落在接收器上,形成类似非织造布状的纤维膜㊂图1 静电纺丝装置示意图1.2 静电纺丝的优点 静电纺丝能够制备连续的微米或纳米纤维,纺丝成本低,对材料的兼容性好,工艺可控性高,机械性能好[5]㊂通过设计喷头和接收器的结构,可以得到形态各异㊁功能多样的纤维,㊃28㊃第45卷第1期2024年1月河北医科大学学报J O U R N A L O F H E B E I M E D I C A L U N I V E R S I T YV o l .45 N o .1J a n . 2024以满足不同需要㊂静电纺丝应用于人工血管具有以下优点:①静电纺丝制备的纤维薄膜具有多孔结构,与细胞外基质结构相似,可以进行营养物质和细胞间信息交换,为细胞的增殖㊁迁移和分化提供良好的活动环境,促进组织修复和再生㊂②纤维膜具有较高的表面积,利于细胞与支架材料的接触和黏附,便于细胞生长㊂③静电纺丝在较温和的条件下进行,因此在纤维成形过程中能够保持所装载物质的活性,可以将疏水性或亲水性化合物㊁蛋白质及核酸等生物大分子直接包封到纤维中,提高材料的生物相容性和功能性㊂2静电纺丝制备人工血管的结构静电纺丝制备的人工血管是由一定厚度的纤维膜层层叠加组成,而纤维膜是由许多纤维丝随机或定向排列形成㊂2.1一维结构 纤维丝静电纺丝机喷头的类型决定纤维丝的结构㊂常见的喷头有单一喷头㊁同轴喷头和并列喷头等㊂聚合物溶液从不同类型的喷头中喷出,可以得到不同结构的纤维丝㊂喷头形状与纤维丝结构的关系(图2)[6]:Ⅰ和Ⅱ为简单结构的纤维丝,由单一喷头喷射溶液,得到纯材料的纤维丝,或装载药物及功能性物质的纤维丝;Ⅲ和Ⅵ为核-壳结构的纤维丝,由2根不同直径的喷头同轴组装起来,两种溶液分别通过各自的管路进行喷射,内层为核溶液,外层为壳溶液,形成核-壳结构,可以将药物或功能性物质包裹于内层或外层,也可以内外层包裹不同的物质㊂Ⅶ为复杂结构的纤维丝,由并列的2个喷头或3个同轴喷头组成,可装载不同的物质㊂图2静电纺丝喷头类型和纤维丝结构示意图2.2二维结构 纤维膜静电纺丝机接收器的类型决定纤维丝的排列方式㊂常见的接收器有滚筒和平板,平板又可分为单一平板㊁两个平行平板或四个正交平板㊂由喷头喷射出聚合物溶液或熔体,在高压静电场作用下,克服表面张力形成射流,并随着溶剂的蒸发或熔体的冷却形成纤维丝㊂通过调整喷头或接收器的移动速度,将纤维丝沉积在接收器上,形成随机取向或特定取向的纤维膜(图3)[7-8]㊂纤维丝排列方式影响纤维膜的强度和孔隙率,进而影响其表面性能,在体内对细胞行为如诱导细胞黏附㊁迁移和分化等亦有显著影响㊂图3静电纺丝接收器类型和纤维膜的扫描电镜图(根据参考文献7㊁8修改)2.3三维结构 纤维管天然血管由内层㊁中层和外层组成㊂内层由连续的单层内皮细胞构成,以保障管腔通畅;中层是沿圆周排列的血管平滑肌细胞层,对维持血管机械强度起重要作用;外层主要由成纤维细胞组成,维持血管壁再生和损伤修复[9]㊂通过将不同材料分别进行静电纺丝,可以形成不同㊃38㊃河北医科大学学报第45卷第1期形貌和性质的纤维层,用以模拟天然血管㊂L i u 等[10]通过静电纺丝法制备了一种仿生纳米纤维三层血管移植物(图4A )㊂聚乳酸/聚己内酯(3ʒ7)有较好的生物相容性,作为血管的内层和外层;聚氨酯/聚己内酯(3ʒ1)强度高,弹性好,具有良好的机械性能,用于制备血管的中间层㊂试验结果表明人工血管的内层有利于人脐静脉内皮细胞黏附,从而加速内皮化;中间层提供了优异的机械性能,防止血管破裂;外层有利于引导血管平滑肌细胞定向排列㊂该仿生三层血管移植物具有良好的力学性能和细胞生物相容性,可在血管重塑和再生中发挥重要作用㊂张晏源等[11]采用静电纺丝层层组装法制备聚己内酯/聚氨酯血管支架(图4B )㊂接收器为直径2mm 的金属滚轴,在匀速转动下使纤维丝均匀缠绕并逐渐增厚㊂内层和外层为聚己内酯纤维,中层为聚己内酯/聚氨酯(1ʒ3)混合纤维,通过连续纺丝形成三层结构的人工血管㊂由扫描电镜照片可见人工血管横截面与大鼠腹主动脉横截面相似,显示出清晰的内㊁中㊁外三层结构㊂图4 静电纺丝制备人工血管A.血管支架结构示意图;B .大鼠腹主动脉和聚己内酯/聚氨酯人工血管扫描电镜图3 纯材料的人工血管材料的选择和设计对人工血管的制备十分重要㊂近年来,随着生物医学工程学和生物材料学的发展,越来越多的材料被发现并用于制备人工血管㊂所用材料根据来源可分为天然材料与合成材料㊂3.1 天然材料制备人工血管 天然材料是指来源于动植物或人体内天然存在的可生物降解的大分子,与细胞亲和力强,具有极低的免疫排斥力和良好的顺应性,不会改变细胞活力或功能㊂常见的天然材料有明胶㊁胶原蛋白㊁丝素蛋白㊁壳聚糖㊁透明质酸等[12-13]㊂丝素蛋白是一种天然的高纯度蛋白质,由蚕丝脱胶制成㊂丝素蛋白结构独特,具有优异的生物相容性㊁可控的生物降解性㊁良好的力学性㊁低免疫原性和低血栓形成性[14]㊂通过静电纺丝制备丝素蛋白血管支架以模拟原生血管结构,力学测试表明,该丝素蛋白支架可以承受的压力是生理压力的4倍多,病理压力的2倍多;成纤维细胞在支架上生长良好,说明支架具有较好的生物相容性[15]㊂N i u 等[16]采用静电纺丝交联法制备了透明质酸/胶原蛋白纳米纤维人工血管支架㊂先将2%透明质酸溶液进行纺丝20h ,接着在相同工艺条件下,将10%胶原蛋白溶液进行纺丝40h ,获得的支架由透明质酸内层和胶原蛋白外层组成,它们在结构上分别模仿天然血管的内膜层和中膜层㊂扫描电镜照片显示,单根纤维丝呈连续的圆柱形,直径约(541.3ʃ19.3)n m ;纤维膜具有多孔网状结构,平均孔径为(2139ʃ81)n m ;纤维支架的内径为3.0mm ,管壁厚约0.62mm ,其中内壁透明质酸层的厚度约0.22mm ,外壁胶原蛋白层的厚度约0.4mm ㊂透明质酸/胶原蛋白纳米纤维支架的表面具有较高的各向异性㊁润湿性和机械柔韧性;体外血液相容性试验表明,纳米纤维支架没有检测出溶血和凝血,具有良好的稳定性和血液相容性,表明它们有望成为组织工程血管植入物㊂3.2 合成材料制备人工血管 合成材料有适宜的降解速率和足够的机械强度,微结构和渗透性易在生产中控制,能批量化生产,质量可控,是较好的组织工程材料㊂常见的合成材料有聚己内酯(p o l y c a p r o l a c t o n e ,P C L )㊁聚氨酯(p o l yu r e t h a n e ,P U )㊁热塑性聚氨酯(t h e r m o p l a s t i c u r e t h a n e ,T P U )㊁聚三亚甲基碳酸酯[p o l y (t r i m e t h yl e n e c a r b o n a t e ),P T M C ]㊁聚乳酸(p o l y l a c t i ca c i d ,P L A )㊁聚乳酸-羟基乙酸共聚物[p o l y (l a c t i c -c o -g l yc o l i c a c id ),P L G A ]等[17]㊂P C L 是一种线性脂肪族聚酯,具有较好的韧性㊁生物相容性以及生物降解性㊂D i m o po u l o s 等[18]以P C L 为材料,采用静电纺丝法制备了模仿天然结构和生物力学的人工血管㊂聚合物纤维丝以轴向平行排列为主,纤维直径为(1.156ʃ0.447)μm ,孔隙率为(17.702ʃ5.369)μm ,这种结构与天然血管㊃48㊃河北医科大学学报 第45卷 第1期相似,可促进体内细胞浸润,对血管移植物和邻近动脉之间的吻合起重要作用㊂P C L人工血管的力学性能良好,具有理想的径向顺应性和循环稳定性;细胞毒性评价表明其没有毒性,且不释放对活细胞有害的物质㊂P C L与P U合用,可以制备复合材料的血管支架㊂郭凤云等[19]利用静电纺丝技术结合浸泡脱管法制备了P C L/P U血管支架㊂制备方法分为三步,首先在转辊上纺丝一层聚维酮的纤维膜;然后在该纤维膜上继续进行P C L/P U(1ʒ3)复合纤维的纺丝;最后将得到的纤维和转辊一起置于水中20h,溶去内层聚维酮膜,脱去不锈钢管转辊,将得到的纤维管放入55ħ干燥箱中烘干,即可得到P C L/P U 人造血管支架㊂其力学性能较纯P U纤维膜提升7倍,且横向和纵向均具有优异的拉伸力学性能;与商用的聚四氟乙烯支架对比,具有较好的耐穿刺性,无细胞毒性,能满足血管支架的基本要求㊂P T M C也是线性脂肪族聚酯,但在体内的降解速度快于P C L㊂秦烨等[20]采用静电纺丝技术制备P C L/P T M C质量比1ʒ1和3ʒ1复合支架材料,并以P C L材料作为对照,通过巨噬细胞体外种植试验,研究P C L/P T M C支架材料对于巨噬细胞表型极化的影响㊂结果显示具有较快降解速度的P C L/ P T M C支架材料可影响巨噬细胞的行为,其能力与P T M C在P C L/P T M C复合材料中的质量比呈正相关,能够使黏附于表面的巨噬细胞处于更高的激活状态,有助于宿主细胞长入材料内部;对其理化性质和组织相容性的研究证实,P C L/P T M C复合支架材料不仅具有良好的力学性能㊁易于宿主细胞生长的纤维多孔性结构,而且能在体内较快降解,有助于宿主细胞对支架材料的重塑与改建,是一种较为理想的原位组织工程血管支架材料㊂3.3天然与合成的复合材料制备人工血管天然生物材料包含有生物信息,可促进细胞吸附或使细胞保留分化功能,但机械强度差;人工合成材料强度高,降解速度及结构特性可控,但生物相容性较差,它们各有优缺点㊂近年来,研究者开始关注复合材料的研究,将天然高分子材料与合成高分子材料混合,制备复合型支架,相比使用单一的材料,这种复合材料制备的人工血管有强烈的生化信号,良好的生物相容性,可在保持支架材料的力学强度及降解行为不变的前提下,获得具有生物活性的表面[21]㊂明胶具有良好的生物相容性,但缺乏合适的机械强度,P T M C是一种柔性和弹性聚合物,具有良好的机械性能,将二者作为复合生物材料制备的人工血管具有生物相容性和适宜机械强度,并用明胶和P T M C来模拟胶原和弹性蛋白,从而模拟天然血管的中膜层㊂J o y等[22]将10%P T M C溶液和15%明胶溶液混合,静电纺丝法制备人工血管㊂扫描电镜可观察到人工血管为多孔结构,大部分纤维丝以径向排列,厚度为(232ʃ40)μm,与天然血管的中膜层厚度200μm相近;机械强度测定结果表明人工血管的拉伸模量是(0.40ʃ0.045)M P a,接近天然血管的拉伸模量0.5M P a,说明添加P T M C可改善明胶本身机械性能较弱的缺点,使复合材料呈现出较好的弹性和机械强度㊂细胞毒性试验证明人工血管没有毒性,大鼠皮下植入人工血管15d,巨噬细胞显著减少,显示生物相容性及与宿主整合的可能性,表明使用明胶/P TM C复合材料可制备三层或双层支架以模拟天然血管㊂纤维蛋白来源于人类血浆蛋白,无免疫排斥反应,具有良好的生物相容性和降解性,其高亲和性表面有利于细胞生长,但机械强度较差,不能单独用作血管支架材料㊂Y a n g等[23]用合成聚合物材料P U 和纤维蛋白制备了P U/纤维蛋白(15ʒ85)血管支架,显示出良好的亲水性和血液相容性,可促进间充质基质细胞的黏附和增殖㊂P U/纤维蛋白血管支架的力学性能和顺应性可以满足临床要求,血栓形成或血管阻塞的比例明显降低㊂Z h a o等[24]制备了P C L/纤维蛋白(20ʒ80)复合材料的人工血管,在扫描电镜下观察微观形貌,可见纳米纤维随机排列,表面光滑,具有一定的多孔性,有利于细胞黏附㊁迁移和增殖㊂研究了P C L/纤维蛋白血管支架在体内的性能,显示出优异的机械强度㊁较高的顺应性和降解性㊂植入大鼠腹主动脉9个月后,人工血管诱导新主动脉再生,并促进细胞外基质沉积和快速内皮化㊂因此,P C L/纤维蛋白人工血管有很大潜力成为一种新型的血管移植物,可以在体内长期植入㊂蚕丝纤维具有良好的机械性㊁生物相容性和生物降解性,聚癸二酸甘油酯[p o l y(g l y c e r o l s e b a c a t e),P G S]是一种合成的热固性材料,具有良好的生物弹性,将二者合用可起到优势互补作用㊂Z h a n g等[25]用静电纺丝法制备了P G S/蚕丝蛋白(70/30)的人工血管,研究了其形态㊁结构㊁弹性㊁拉伸性㊁体外降解性及生物学性质㊂结果显示制备的人工血管具有可调节的机械性和良好的循环拉伸性,显示出优异的生物相容性,可促进细胞黏附㊁生长和增殖㊂4功能化修饰的人工血管静电纺丝的纤维可以作为载体,有效地负载生物活性物质㊁药物或化学物质㊂功能化修饰的人工血管对解决其存在的易形成血栓㊁引起组织增生等㊃58㊃河北医科大学学报第45卷第1期问题,进一步完善人工血管的性能有重要作用㊂4.1负载生物活性物质正常人血管内壁有一层完整的内皮细胞,可以合成㊁分泌多种生物活性因子,有效地防止血栓形成及血管再狭窄的发生,因此构建抗凝血功能表面,促进人工血管快速内皮化,是解决小口径人工血管长期通畅性问题的关键[26]㊂血管内皮生长因子(v a s c u l a r e n d o t h e l i a l g r o w t h f a c t o r,V E G F)通过与内皮细胞膜上的特异性受体结合,促进内皮细胞的生长与增殖㊂刘月等[27]制备了含V E G F的聚左旋乳酸己内酯/丝素蛋白双层小口径人工血管㊂先静电纺丝聚左旋乳酸己内酯/丝素蛋白(70ʒ30)作为内层,再纺聚左旋乳酸己内酯/丝素蛋白(30ʒ70)作为外层㊂将制备的小口径人工血管浸入4ħ的1000μg/L V E G F溶液中过夜,然后在75%乙醇中浸泡20m i n灭菌㊂细胞试验表明,与未加载V E G F的材料相比,加载V E G F材料的人脐静脉内皮细胞数量明显增多,说明加载V E G F的人工血管能促进内皮细胞的黏附和增殖㊂激光共聚焦㊁扫描电镜和细胞毒性试验证明,加载与未加载V E G F的人工血管上的血管平滑肌细胞数量基本相同,表明V E G F对血管平滑肌细胞的生长无影响㊂K u a n g等[28]采用共轭静电纺丝法制备了双层结构的肝素/丝素蛋白-聚乳酸己内酯[p o l y(l-l a c t i c-c o-c a p r o l a c t o n e)c o p o l y m e r s,P L C L]纳米纤维支架㊂P L C L溶解于六氟异丙醇中,配成10%的纺丝溶液,将其分别装入2个注射器中,喷头上接入电性相反的高压电流,喷射时2种带相反电荷的溶液在空中交织,在接收器上形成纳米纤维支架㊂将支架浸入肝素/丝素蛋白溶液中,然后取出进行冷冻干燥,在75%乙醇蒸汽中交联,得到肝素/丝素蛋白-P L C L纳米纤维支架,其结构由合成材料P L C L 形成内层以提供机械支撑,由天然材料丝素蛋白包裹在外侧形成外层㊂新西兰白兔移植后,超声图像证实管腔内未见明显狭窄,加入肝素后具有良好的抗凝效果,支架材料在体内8个月后降解,没有引起炎症反应,再生血管组织可以提供同样的机械支持,具有与自体血管相同的功能㊂静电纺丝制备的血管支架也可以负载其他生物活性物质如抗体㊁m i R N A等[29]㊂将P L C L和胶原蛋白混合物制成双层血管,内层负载肝素和抗C D133抗体,肝素具有管腔抗凝功能,抗C D133抗体能够促进血管新内膜的形成㊂将聚乙二醇-聚(丙交酯-己内酯)纤维作为人工血管内层,负载m i R N A126,可调节血管内皮细胞的反应,P C L和明胶混合物纤维作为人工血管外层,有助于机械稳定性㊂4.2负载药物为了防止人工血管内膜增生,保证其长期通畅性,Y a n g等[30]将雷帕霉素与P C L共纺,制备血管支架㊂体外释药试验显示出可控和持续的药物释放,在最初的7d内,释药较快,约30%的雷帕霉素从P C L纳米纤维支架中释放出来,之后观察到雷帕霉素的持续释放,70d后释放约60%㊂在大鼠体内进行腹主动脉移植,植入12周后进行组织学评估表明,移植物未显示血栓形成或狭窄形成的迹象,雷帕霉素能够显著减少新内膜增生,而不损害再内皮化和M2巨噬细胞极化㊂从中药丹参中提取的丹酚酸B可以促进血管内皮细胞的增殖和迁移㊂K u a n g等[31]采用静电纺丝方法制备了双层血管支架,其内层负载丹酚酸B 和肝素㊂释放试验表明丹酚酸B没有突释现象,可持续释药近30d㊂丹酚酸B和肝素的联合作用有助于促进人脐静脉内皮细胞的生长,并改善血管支架的血液相容性,此外,丹酚酸B还可以保护人内皮细胞免受氧化应激诱导的细胞损伤㊂将支架埋入S D大鼠皮下2周后,通过M a s s o n三色和H E染色进行体内评价,显示支架具有良好的生物相容性,不会引起明显的免疫反应㊂因此,含丹酚酸B的功能性内层有望预防急性血栓形成,并促进人工血管移植物的快速内皮化㊂阿魏酸同时具有抗凝及促进内皮细胞增殖作用㊂李玉梅[32]用静电纺丝法制备直径为2mm左右的10%阿魏酸/P C L纤维管,然后等离子体进行处理,再用原位氧化聚合法在纤维表面包覆一层聚苯胺,制备成聚苯胺-10%阿魏酸/P C L人工血管㊂体外试验表明人工血管具有良好的细胞相容性及血液相容性;将新西兰白兔分为两组进行体内试验,一组用聚苯胺-10%阿魏酸/P C L人工血管置换兔颈总动脉血管,另一组采用不含阿魏酸的聚苯胺-P C L人工血管作为对照,观察血管移植物的通畅率及血管组织变化,结果显示在体血管置换15d后,聚苯胺-10%阿魏酸/P C L和聚苯胺-P C L血管移植物的血流值分别为15.16和10.73,通畅率分别为77%和55%,说明加入阿魏酸的血管移植物能明显提高血管的通畅性㊂4.3负载化学物质一氧化氮(n i t r o g e n m o n o x i d e,N O)是血管内皮释放的重要信号和功能分子,除了介导平滑肌的正常舒张外,还能有效抑制平滑肌的过度增殖和血小板的黏附,因此通过增加N O含量,可以抑制血栓的形成,从而提高血管的畅通性㊂在人体正常的血液中,存在着种类丰富的N O供体,能够被体内的谷胱甘肽过氧化物酶㊁抗坏㊃68㊃河北医科大学学报第45卷第1期血酸等物质催化分解并释放出N O㊂L i等[33]合成了S-亚硝化角蛋白(K S N O)作为低毒的N O供体㊂将P C L与K S N O共同进行静电纺丝,制备可释放N O的小直径血管移植物㊂P C L/K S N O血管移植物在抗坏血酸催化下产生N O,因此提高了人脐静脉内皮细胞的黏附和生长,同时抑制人主动脉平滑肌细胞的增殖㊂兔颈动脉置换试验表明,P C L/ K S N O血管移植物能够抑制血栓形成,保持正常血流1个月,并在管腔表面观察到完整的内皮细胞㊂氧气供应在血管再生中具有重要作用,材料内部的缺氧环境不利于细胞增殖和分化,甚至会使细胞出现持续性凋亡及死亡现象㊂全氟十四酸(p e r f l u o r o t e t r a d e c a n o i c a c i d,P F T A)具有很高的溶氧能力,在低氧条件下可以迅速提高环境中氧气的溶解量,已被应用于组织工程㊂史杰等[34]通过在支架材料上负载P F T A作为氧气载体,以解决材料内部供氧不足的问题㊂首先静电纺丝制备P C L/明胶复合纤维支架,然后将其放入浓度为100m g/L的P F T A溶液中,置于4ħ冰箱反应12h㊂反应结束后,用蒸馏水反复洗涤,充分除去未反应的物质,即得负载P F T A的支架材料㊂通过X射线光电子能谱仪试验证明,P F T A成功负载到支架纤维表面;微观形貌㊁力学性能和细胞相容性试验表明,P F T A修饰后的支架纤维结构均匀,拉伸力学性能良好,细胞相容性好,为进一步研究构建可募集氧气的血管支架提供理论支持㊂提高血管表面的亲水性,能够抑制血浆蛋白吸附,降低血小板黏附,从而减少血栓形成㊂泊洛沙姆是一种非离子型表面活性剂,可增加物质的亲水性㊂L e等[35]以P U/P C L为材料制备了双层人工血管㊂外层为P U/P C L疏水层,可以防止泄漏和渗透性跨膜现象;内层为P U/P C L-泊洛沙姆亲水层,泊洛沙姆的加入增加了P U/P C L管腔表面的亲水性和生物活性,可增加细胞黏附和增殖,并抑制血小板黏附㊂试验表明泊洛沙姆的质量分数大于8%时,超过70%的血小板被排斥出内表面,这种具有生物活性的亲水性内层和疏水性外层的小直径血管是一种很有前景的人工血管移植物㊂5总结与展望静电纺丝制备人工血管具有生产工艺简单,生物相容性好,可进行功能化修饰等诸多优点,是目前制备血管支架最合适和最有前途的技术之一㊂未来的发展方向主要为:①与其他方法联合应用㊂静电纺丝与其他方法如溶液浴纺丝[36]㊁静电直写[37]㊁熔融电直写[38]等合用,使之更好地模拟天然血管组织结构,改善血管支架性能㊂②开发新的血管支架材料㊂如使用含有导电聚合物[39]的材料,可以为细胞提供可控范围和时间的导电及电刺激,并且具有增强细胞膜极化和电荷传输的功能㊂③开展临床研究㊂目前静电纺丝人工血管的研究大多基于体外细胞试验或动物体内试验,对在人体内的应用情况知之甚少,进行人体移植试验对评价人工血管的实用性至关重要㊂相信随着科学研究的不断深入,不久的将来,会有越来越多的静电纺丝血管支架研究成果进入临床应用,为血管组织工程的发展作出贡献㊂[参考文献][1]‘中国心血管健康与疾病报告2021“编写组.‘中国心血管健康与疾病报告2021“要点解读[J].中国心血管杂志,2022,27(4):305-318.[2] B a o L,H o n g F F,L i G,e t a l.I m p l a n t a t i o n o f a i r-d r i e db ac t e r i a ln a n o c e l l u l o s ec o nd u i t si n as m a l l-c a l i be rv a s c u l a rp r o s t h e s i s r a b b i t m o d e l[J].M a t e rS c i e E n g C M a t e rB i o lA p p l,2021,122:111922.[3] Z h e n g M,G u o J,L i Q,e t a l.S y n t h e s e s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o fa n t i t h r o mb o t ic a nd a n t i-o x i d a t i ve G a s t r o d i n-m o d if i e dp o l y u r e t h a n ef o r v a s c u l a r t i s s u e e n g i n e e r i n g[J].B i o a c tM a t e r,2020,6(2):404-419.[4] N a d y N,S a l e m N,K a n d i l S H.P r e p a r a t i o n a n dc h a r a c t e r i z a t i o n o f a n o v e l p o l y(v i n y l ide n ef l u o r i d e-c o-h e x a f l u o r o p r o p y l e n e)/p o l y(e t h e r s u l f o n e)b l e n d m e m b r a n ef a b r i c a t e d u s i ng a n i n n o v a t i v e m e th o d o f mi x i n ge l e c t r o s p i n n i n g a n d p h a s ei n v e r s i o n[J].P o l y m e r s(B a s e l),2021,13(5):790-813.[5] Y a n g X,W a n g J,G u o H,e ta l.S t r u c t u r a ld e s i g nt o w a r df u n c t i o n a lm a t e r i a l sb y e l e c t r o s p i n n i n g:A r e v i e w[J].E-P o l y m e r s,2020,20(1):682-712.[6] D o o s t m o h a mm a d i M,F o r o o t a n f a r H,R a m a k r i s h n a S.R e g e n e r a t i v e m e d i c i n e a n d d r u g d e l i v e r y:p r o g r e s s v i ae l e c t r o s 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静电纺丝原理研究进展
静电纺丝原理研究进展薛聪,胡影影,黄争鸣*(同济大学航空航天与力学学院,上海200092)摘要:纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。
在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,其中同轴共纺技术由于能制备芯2壳(core2shell)结构的纳米纤维,也越来越引起人们的关注。
本文介绍了基于电流体动力学的静电纺丝原理,讨论了静电纺丝相关原理研究进展,包括Taylor锥与喷射,纳米纤维的弯曲非稳定性,高聚物溶液P熔融体流动非稳定性,两相流流型及其转换,高聚物两相流流型及其转换,非牛顿流体流动非稳定性以及两种非牛顿流体分层流动等,最后指出了尚待解决的一些问题。
关键词:静电纺丝;流体动力学;非牛顿流体;两相流引言静电纺丝技术在1934年首先由Formhals[1]提出,随后的相当长一段时间又有多项专利出现。
到了20世纪80年代,才有人开始对该技术进行大量的实验和理论研究。
近年来,随着纳米材料研究的兴起,人们发现,由电纺制得的纤维的直径可以达到纳米级,使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[2]。
目前,主要是从事化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝,但显而易见的是,电纺过程中涉及了大量的流体动力学方面的内容,因此也受到了力学界的关注。
早在上世纪60年代,电纺过程中有关流体动力学方面的研究就已经开始了[3]。
由于静电纺丝所使用的溶液或熔融体大多为非牛顿流体,因此随着流体力学研究的不断深入,特别是非牛顿流体相关研究的深入,推动了电纺理论的发展。
近期,一种新的电纺方法)))同轴电纺及其紧密相关的同轴射流技术,引起了人们极大的关注[4~8],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[9],因此对同轴电纺理论研究同样引起了包括力学家在内广大学者的极大兴趣。
相比于传统单纺,同轴共纺的流体动力学问题更多也更复杂,并且如何将现有的研究成果与同轴共纺结合起来,需要广大学者进一步的研究和探讨。
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提 高了静电纺丝的产率 ，但仍有很多问题亟待解决 。本文主要介绍了静 电纺丝技术的发展进程及面临的问题 。
关键 词 ：静 电纺丝；纳米纤维 ；技术进展 中图分类号 ：Ｔ Ｑ ３ ４ ０ ． ６ ５ 文献标识码 ：Ａ
Ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｐ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｔ Ｈ ｏ ｍｅ ａ ｎ ｄ Ａｂ ｒ ｏ ａ ｄ
１ 国内外静电纺 丝技 术的理论研究现 状
静电纺丝过程中的带电聚合物 ， 在电场力、 表面张力和
黏 弹力的 共 同作用下 ， 会发 生 形 变， 由圆形 变 为椭 圆形 ， 进 而变 为锥 形。 当电场力增大 到一定程 度时 ， 聚合 物就会在 锥
液 的粘弹 性 、 电荷分布 以及溶 液 的表 面 张力是 影 响珠 丝 形 成的关键 因素 。 Ｊ ． Ｍ． Ｄ ｅ ｔ ｉ ｚ ｅ ｌ 等 在工艺 参数 对 纤维尺寸 的影 响的研 究 中 发现 ， 纺丝电压和溶 液浓 度是最 重要 的工艺参 数。 纺丝电压
ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｎ ｅ ｅ ｄｌ ｅ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｎｇ ｌ ｅ — ｎ ｅ ｅ ｄ ｌ ｅ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｉ ｔ ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ， ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ｍａ ｎ ｙ ｐ ｒ ｏｂ ｌ ｅ ｍｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ． Ｔｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎｇ ｐ ｒ ｏ ｂｌ ｅ ｍｓ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｐ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ
尖被加速， 从而形成射流。 Ｔ ａ ｙ ｌ ｏ ｒ ｚ ａ ｉ 于１ ９ ６ ４ 年对这个锥形进 行了深入的研究。 他指出， 当电场力的强度增加时， 液滴变 得越来越扁长， 当超过临界 电压时， 液滴形状将不再稳定，
与纤维成形过程 中珠串缺陷有紧密的联系； 而溶液的浓度
先 伸长 ， 然后就 趋 于锥 形。 Ｔ ａ ｙ ｌ ｏ ｒ 计算 了 一 个无 限流 体形成
的锥的半角角度ａ ＝ ４ ９ ． ３ 。 ， 这就是泰勒锥。 Ｓ Ｎ ． Ｆ ｒ ｉ ｄ ｒ ｉ ｋ ｈ 等提出了一个简单的公式， 以分析静电纺 丝过程中决定射流直径的力， 其为射流表面张力、 流动速率
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｅ１ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｐｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｅ ｆｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄｓ ｏｒ ｆ ｐｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ｎ ａ ｎ ｏｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｓ ａ ｔ
应 用技术 纤 Ｆ ｉ ｂ 维 技 术 ｅｒ Ｔ ｅｃ ｈｎ ｏ ｌ ｏ ｇｙ
国内外静电纺丝技术的研 究进展
文ｌ 郝明磊 郭建生 摘 要 ：静 电纺丝技 术是 目前为止获取纳米纤维最 简单有效的方法之一 ，但产量低一直是 限制其 大规 模运用的瓶
颈 。近 几年世界上出现 了大量与此相关的研究 ，比如通过设计多针头静 电纺和无针头静 电纺装置 ，在一 定程度上
和 电压的 函数 。 公式 预测 了射流 直径极 限的存在 。 不 同的电 纺 丝纤维Ｈ． Ｆ ｏ ｎ ｇ 、 Ｉ ． Ｃ ｈ ｕ ｎ ￣ Ｄ Ｄ ． Ｈ． Ｒ ｅ ｎ ｅ ｋ ｅ ｒ 提 出， 使用静电纺丝技
术纺 出的纤 维经常 出现规 则排列 的珠丝 。 同时 指出 ， 射流 粘
ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｅ １ ｅ ｃ ｔ ｒ Ｏ ｓ ｐ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ； ｎ ａ ｎ ｏ ｉｂ ｆ ｅ ｒ ； ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ
纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于１ ０ ０ ｎ ｍ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 。 ２ ０ 世纪９ ０ 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。