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