刘延波谈静电纺纳米纤维技术

谈静电纺纳米纤维技术

刘延波

天津工业大学纺织学院，300160s

纳米纤维一般是指纤维的直径在纳米级范围。有些人把直径小于1µm的纤维称为纳米纤维，而有些人则定义直径小于0.3µm的纤维为纳米纤维，也有文献将纳米纤维定义为直径为纳米级、长度超过1µm的物质。美国国家科学基金会（NSF）定义纳米纤维为至少在一维空间尺度上小于100nm的纤维。无纺布工业一般认为直径小于1微米的纤维就是纳米纤维。另一方面，更广泛说来，传统纤维与纳米材料（零维、一维或三维）复合制得的纤维材料也可以称为纳米复合纤维材料或广义的纳米纤维材料。纳米纤维这种广泛的定义还可以延伸，即可以把纤维中包含有纳米结构，而且又赋予了新的物理性能的纤维都划入纳米纤维的范围。纳米纤维与人发的细度对比如图1所示。图2为纳米纤维的SEM图片。

纳米纤维材料特点及应用

纳米纤维直径一般在几个纳米到几个微米之间，极细的纤维直径使得纳米纤维具有极高的比表面积，因此具有极高的表面吸附性能；另一方面，由极细的纳米纤维构成的纤网、薄膜或非织造布又具有极小的孔隙尺寸和极高的孔隙率（低空气阻力）及静电驻留性，因此在表面吸附、过滤隔阻等方面具有广泛的应用，例如气体过滤、液体过滤、吸声防噪、生物医疗、能源电子、航空航天、农业防护、战争防护、食品安全、化妆品、纳米纤维增强复合材料等领域，部分应用如图3所示。具体包括：

（1）气体过滤—工业气体、汽车发动机空气过滤以及汽车尾气过滤；

（2）液体过滤—食品和药品过滤、血液过滤、海水淡化、水处理等；

（3）特种防护—生化防护服、防毒面具、医疗防护服、特种工作服等；

（4）能源电子—储能材料和电池隔膜；

（5）生物医疗—生物传感器、组织工程支架、创伤敷料、药物传输载体、人造器官/血管，手术缝合线、医用口罩等等；

（6）其它应用—包括吸声防噪、化妆用品、太阳镜、太阳帆等。

美国的Donaldson公司已经在30年前就将静电纺纳米纤维材料用于工业气体过滤、液体过滤、发动机空气过滤、洁净室空气过滤，其含有纳米纤维层的空气过滤器如图3左一图所示。前苏联早在五、六十年代就将静电纺纳米纤维材料应用于工业气体和液体过滤以及食品和药品过滤，并且用于金星周围大气内容物的样本采集，以便对金星大气成分和星球组成进行分析研究。自2003年起，捷克的Elmarco公司与利伯希大学联合开发了纳米蜘蛛静电纺丝技术，首次在全球实现了静电纺丝设备的工业化，其纳米纤维产品已经商业化用于防护口罩、吸声防噪等领域，带动了全球静电纺丝技术的研发热潮，促进了静电纺丝技术规模化的进一步发展。杜邦公司已经将静电纺丝技术用于开发聚酰亚胺纳米纤维材料，商品名称为DuPont™Energain®，用于建筑上的防护保温隔膜，可以极大地减少空调能源的浪费；该技术同时可用于电池隔膜，大幅度提高车用动力锂电池性能。

最近几年，欧美日韩等发达国家不惜重金投资支持静电纺纳米纤维材料开发相关的重大研究项目，成果拟用于生物医学、战争防护、和储能媒介等方面，例如药物/生物酶载体、生物传感器、组织工程支架、人造皮肤和假体、防毒面具、生化防护服、特种防护服、超级大电容、动力锂电池隔膜、功能材料以及储能材料（例如储氢）。

静电纺丝法制备纳米纤维技术优势

迄今为止，制造纳米纤维的主要方法有：牵伸法、模板聚合法、相分离法、自组装法以及静电纺丝法。利用模板聚合法、相分离法、自组装法生产纳米纤维的技术目前尚处于实验室研究阶段，不具备规模化生产纳米纤维的技术水平；牵伸法例如熔喷、纺粘非织造法可以规模化、快速生产纳米纤维，但是只适合热塑性聚合物的熔体纺丝，产品品种变换不灵活，且工艺非常复杂，成本高、价格贵，不利于新材料的开发和广泛应用。

除此之外，纳米纤维材料也可以通过闪蒸非织造技术来实现，美国杜邦公司已经利用其独创的闪蒸非织造技术生产聚乙烯基纳米纤维膜，并将产品商业化应用于军用地图、包装材料、信封、灯箱材料等军用或民用领域。但是，这种闪蒸技术被杜邦公司所垄断，且聚合物品种单一，也不利于新材料的开发和应用。

目前，静电纺丝技术是唯一可以用来规模化生产纳米纤维、且适合于制备各种聚合物纳米纤维的新兴纺丝技术，且静电纺丝技术的特点是其他纳米纤维生产方法所无法比拟的：

（1）操作简单，成本低廉，产品种类变换容易；

（2）可以根据需要生产纳米纤维或颗粒，也可以生产纳米长丝、纱线或非织造布/薄膜（取向或杂乱）；

（3）可以生产单组分纳米纤维，也可以生产皮芯复合双组分纳米纤维；

（4）原料适应性广，几乎各种高聚物都可以用静电纺丝技术生产纳米纤维，包括合成高聚物、再生纤维素以及天然高聚物，如各种蛋白质类高聚物（丝素或羊毛蛋白等）；针对热塑性聚合物原料还以采用熔体静电纺丝法来生产纳米纤维；

（5）可以将功能性助剂或纳米颗粒以及碳纳米管混在纺丝溶液中，生产耐久性功能整理纳米纤维材料；

（6）可采用不同聚合物原料生产不同用途的纳米纤维材料；

（7）生产速度比分子自组装、模板聚合和相分离等其他纳米纤维生产方法要快许多，因此最具有工业化生产纳米纤维的潜力；

（8）改变静电纺丝过程参数，可以获得具有不同结构和性能的纳米纤维材料，适应不同领域的应用需要。

静电纺丝的单针头装置如图5左上图所示，主要包括纺丝针头、纳米纤维接收器、高压静电发生器和纺丝液供应器等组成；右上图和下图表示静电纺丝过程和泰勒锥的形成。

电纺丝领域主要关注研究的技术方向及国内前沿研究简介

目前，笔者比较关注静电纺丝规模化生产技术和工业气体过滤材料、液体过滤材料、电池隔膜材料、创伤敷料以及药物载体材料的开发。从国内静电纺丝技术的发展来看，静电纺纳米纤维用于高端过滤、电池隔膜、药物控释、人造皮肤、人工透析、细胞培养、纳米胶囊、离子交换膜、水处理、战争毒气防护、生物传感器以及组织工程支架等高端用途正在热研中。此外，国内正在研究用于检测或过滤微米级细菌（O-157、花粉、螨）及纳米级病毒（SARS、禽流感、猪流感、艾兹）的纳米纤维材料。