静电纺丝及其应用 中文

静电纺丝技术以及静电纺丝纳米纤维在不同领域的应用本文内容主要参考了夏幼南教授的一篇综述文章[1],本人只是自己语言重新组织了一下他的文章内容，并在此基础上加入了一些个人的理解。

基于上述原因，在此向夏幼南老师表示特别感谢。

1. 纳米静电纺丝技术发展的历史
静电纺丝技术又简称静电纺丝或者电纺丝，其发展历史最早可以追溯到1600年,William Gilbert 在存在外部电场的情况下观察到了一个锥形水滴[2]。

随后在1887年，Charles Boys 利用一种粘弹性的液体通过静电纺丝制备出了纳米纤维[1]。

1938年，静电纺丝纳米纤维被用于制造空气过滤装置的过滤网芯，静电纺丝纳米纤维首次得到了应用[1]。

从1938年至今，静电纺丝技术不断发展并逐渐走向成熟，如今已经被应用在了各个领域，极大的推动了科学研究和工业生产的进步与发展[3,4]。

2. 纳米静电纺丝技术
2.1. 静电纺丝技术的原理
图1. 静电纺丝装置示意图[5]
静电纺丝技术是指聚合物熔体或者溶液在高压静电场的作用下形成纤维的
过程。

静电纺丝技术装置主要由三部分组成，分别是高压电源，喷丝头以及接收板（图1.）。

其中电源可以是直流电源，也可以是交流电源，不同类型的电源对纳米纤维的形成有一定的影响，这里不再详细介绍。

喷丝头可以使用带有注射器针头的塑料管、金属管及玻璃管等，喷丝嘴一般为0.1~1 mm。

接收板用来接收经溶剂挥发或者熔体固化后所形成的聚合物，一般采用导电金属板、硅片及导电玻璃等。

具体使用过程中，金属板表面要用锡纸、纺布等包裹起来，方便转移纳米纺丝并防止接收板被污染或者被弄脏[6]。

电源的两极分别接在喷丝头和接收器上，在高压静电纺丝的过程中，溶液或者熔融高分子表面带上了电荷并产生了电场力，溶液的表面张力与电场力方向相反。

随着电压的增大，电场力大于表面张力时，带电溶液从喷丝口喷出，从而形成喷流。

喷流在空气中运动的过程中，经溶剂挥发，降温冷却等过程逐渐固化，最后被收集于接收器上。

图2. 静电纺丝纳米纤维所受横向力示意图[7]
图3. 纳米纤维弯曲运动示意图[8]
溶液最开始从喷丝口喷出时，进行的是直线运动，但是表面张力和粘滞力会阻碍其向前运动，加速度逐渐减小，与此同时，纤维直径逐渐变细。

当加速度逐渐减小到0或某一个常数时，任何微小扰动都会，任何微小扰动都会破坏纤维的直线运动。

由于溶液表面电荷之间存在排斥作用，出现了不稳定的微扰段区域，微扰段上方的电荷对其施加了一个向下和向外的排斥力F DO （图2.），同时，微扰段下方的电荷对其施加了一个向上和向外的排斥力F UO, 两种力产生了一个横向的合力F R，使纳米纤维发生了弯曲[1, 7]。

随着纤维逐渐伸长，又会出现第二个不稳定的弯曲阶段，然后是第三个、第四个，直至纳米纤维固化，才不再出现下一级的弯曲（图3.）。

2.2. 静电纺丝技术所用的材料
静电纺丝技术可选用的材料非常多，但主要分为四大类，分别是有机高分子，溶胶凝胶物质，部分小分子以及高分子和无机复合材料。

2.2.1. 有机高分子
静电纺丝常用的材料就是有机高分子，其主要分为两大类。

一类是可以溶解在某些溶剂当中，形成溶液的高分子，这也是目前应用最多的一类，因为操作过程相对简单，对设备要求比较比，而且纺出的纳米纤维更细；另一类是无法溶解在溶剂当中，但可以通过加热变成熔融物，这就需要在喷针外围加一个加热装置，如图4。

通过对高分子进行加热使其熔融，这种方法经常适用于某些具有特定需要的材料。

图4. 熔融物喷丝装置示意图[9]
2.2.2. 溶胶凝胶物质
由分散相(悬浮颗粒)和连续相(悬浮液)组成的胶体，当形成颗粒内部形成足够的缠结时，射流为连续结构，也可以用于静电纺丝[1]。

2.2.
3. 小分子溶液
当链缠结足够大时，小分子也可以直接通过静电纺丝得到纳米纤维。

关键因素是小分子之间要存在足够强的分子内相互作用，比如在高度浓缩的溶液或纯熔体中形成的自组装结构。

2.2.4. 复合材料
复合材料的应用也非常的广泛，经常利用一些有机高分子与无机纳米颗粒或者纳米线等复合在一起，纺出一些功能化的纳米纤维。

比如用聚乙烯醇包覆二氧化硅颗粒（图5. 左），聚乙烯吡咯烷酮包覆银纳米线（图5. 右）。

图5. 聚乙烯醇包覆二氧化硅颗粒（左）[10]以及聚乙烯吡咯烷酮包覆银纳米线（右）电镜图[11] 2.3. 纳米静电纺丝技术常用的操作方法
2.3.1. 近场和远场模式
近场模式和远场模式主要区别有两个，一个是喷丝头到接收器的距离不同，另一个是电源电压的不同。

在远场模式中，喷丝头到接收器的距离为5~15 cm, 电源电压大约在10~20 KV之间[12]。

使用远场模式进行纺丝时，可以得到比近场模式更细的纳米纤维，纺丝速度也更快。

但是无法精准地控制纳米纤维在接受板上的位置。

在近场模式中，喷丝头到接收器的距离为500 um~5 cm, 电源电压
大约在0.6~3 KV之间。

使用近场模式纺出的纳米纤维虽然直径相对于远场模式来说比较大，但是可以对纳米纤维的位置进行精准控制，得到各种各样的形状和排布（图6.）[13-15]。

图6. 近场模式下的各种纺丝图案[16]
2.3.2. 单针与多针喷丝头
由于单针喷丝头的喷丝效率低、产量小，人们又研制了出了多针型喷丝头，类型多种多样，有多针并排的、金字塔型的以及同轴多针的等等，由于纳米纤维之间存在横向的静电排斥力，因此纤维与纤维之间不会出现黏连现象。

其中，同轴多针型的喷丝头可以制备出多层结构的纳米纤维，还可以制备空心的纳米纤维，灵活度高，产品多样化。

使用多针喷丝头可以大大提高生产效率，节约生产成本，无论对科研还是企业生产都意义重大。

2.3.3. 固体接收板与液体接收装置
对于具有可分辨导电性的非均匀基片(即金属和绝缘体)的接收器，它们会产生朝向金属表面的扭曲电场。

因此，纳米纤维将优先沉积在金属区域的表面，并延伸到绝缘区域，最终形成图案化的纳米纤维垫。

通过设计不同形貌的非均匀接收器，可以制备出不同形貌的纳米纤维垫。

除了固体接收板，还可以选用液浴作为接收装置。

对于一些冷却较慢的纳米
纤维，可以利用水浴接收的方式，加快冷却固化速度，并且提高分散性；对于纳米纤维中水分蒸发过慢的情况，可以采用乙醇浴进行接收，利用乙醇带走纤维中的水分，加快固化速度。

3. 静电纺丝纳米纤维的“智能”特性
通过静电纺丝技术，可以得到一些有特殊性能的纳米纤维材料，诸如应激响应性、形状记忆性、自清洁性、自愈合性、“活性”等等，下面分别做一下简要介绍。

3.1. 应激响应性
有应激响应的聚合物在外部刺激的触发下进行构象和/或化学变化，响应时间与刺激的速度成反比。

当刺激反应的聚合物通过静电纺丝纺成纳米纤维时，应激响应速度会大大提升。

这种改进主要归功于纳米纤维垫的高度多孔结构和大的比表面积，以及小直径等因素。

各种类型的应激响应型纳米纤维已经被报道，如细胞片收获和控制释放等应用。

3.2. 形状记忆性
具有形状记忆效应的纳米纤维能够在外部刺激下从变形状态（临时形状）转变为原始状态（永久形状）。

具有形状记忆效应的纳米纤维垫已经被广泛应用于组织工程和过滤等领域。

例如，纳米纤维垫可以通过形状改变来控制细胞的生长，模拟人体动态环境的变化[17, 18]。

3.3. 自清洁性
基于电纺纳米纤维的清洁涂层具有柔软和自支撑等特性。

纳米纤维的化学组成、表面润湿性能都可以被很好的调控。

现如今基于电纺纳米纤维的涂层已经应用在了各个领域。

比如医疗器具的防污处理，生产防护服等。

3.4. 自愈合性
一些工程材料往往容易受到裂缝形式的破坏，因此研制能够自我修复损伤从而恢复其原始性能的自愈材料是非常重要的。

其中一种方法是将液体愈合剂封装在壳鞘纳米纤维中，然后将纳米纤维嵌入到材料基体中。

当裂纹出现时，愈合剂
就会流出并修复断裂的纳米纤维。

3.5. “活性”
所谓的“活性”纳米纤维，其实是利用同轴多针类型的喷丝头，将一些细菌、细胞、病毒等连同培养液一起封装在壳鞘纳米纤维中。

这些“活性”纳米纤维在各种生物技术中都起到了十分重要的作用，比如微生物燃料电池、水去污膜、细胞结构分析等。

4. 静电纺丝纳米纤维的应用
通过静电纺丝技术制备的纳米纤维由于具有多种优异的性能，已经得到了非常广泛的应用，常见的应用方向有：空气过滤装置的设计制造，污水净化处理，重金属粒子的回收，催化领域，各类电池的研究，发光器件，生物应用等等。

在未来，静电纺丝纳米技术还会发挥更大的作用，推动科学研究以及人类社会的不断发展。

5. 参考文献
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