静电纺丝

静电纺丝技术的应用及其发展前景

材料成型09-3 陈桂宏 14095543

“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostaticspinning”,国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等等。早在上世纪30年代就有人在电纺技术上申请了一系列的专利，是人们早已知晓的一项技术。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，由于静电纺丝的可生产性较低，并没有引起人们的注意，直到近十年，由纳米技术

的迅速发展，静电纺丝才再次引起世界各国研

究学者的关注，并逐渐成为世界上用得到的最

普遍生产纳米纤维的方法。通过静电纺丝技术

制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学

技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静

电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可

纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有

效制备纳米纤维材料的主要途径之一。

图 1 静电纺丝装置图

1 静电纺丝技术原理及影响因素

静电纺丝的基本原理是:聚合物溶液或熔体在高压静电的作用下,会在喷丝口处形成 Taylor锥,当电场强度达到一个临界值时,电场力就能克服液体的表面张力, 在喷丝口处形成一股带电的喷射流。喷射过程中, 由于喷射流的表面积急速增大, 溶剂挥发, 纤维固化并无序状排列于收集装置上 ,从而得到我们需要的纳米纤维, 其装置图如图 1 所示。电纺技术制备的纤维直径可以在数十纳米到数百纳米之间。到目前为止, 已经报道有大约 100种聚合物利用静电纺丝技术制备出超细纳米纤维。

静电纺丝法的许多工艺参数相互密切联系,决定了纤维的直径大小和纤维的均匀性等性质。影响静电纺丝过程的因素主要有两个方面, 一是溶液的性质,包括溶液粘度, 表面张力等; 二是电纺设备参数, 如外加电压, 收集装置之间的距离等。除此之外还有温度、湿度等一些环境参数的影响。

影响电纺丝纤维形态的因素

（1）聚合物及其性质

一般情况下，用于电纺丝的材料都应是具有线性分子结构的聚合物，同时还应有

符合成丝要求的分子量。纤维直径会随着分子量的增加而变大。

目前电纺丝制备过程中主要使用溶液纺丝法，这种方法要求将聚合物溶解在合适的溶剂里。溶剂的沸点对纺丝过程有很大的影响，溶剂挥发太快则会使喷丝口堵塞，阻碍纺丝的进行，也会使纤维很快干燥得不到完全劈裂细化，纤维直径很大；若挥发得太慢，则会使纤维在收集板上互相粘连在一起，甚至生成的纳米纤维会被重新溶解掉。同时溶剂的不同还会影响溶液的黏度、电导率等其它参数，以至于对纤维的形态产生影响。静电纺丝溶液的黏度、表面张力、聚合物电荷密度等均会影响纤维的形态。研究表明珠状体（Beads）的出现与溶液黏度，表面张力和纤维束所带电荷密度有直接的关系。黏度较高则容易形成光滑的连续纤维，但是纤维直径较大；表面张力较大则容易出现 Beads；增加电荷密度则不仅可以减少Beads的出现，还能使纤维更细。

通常情况下，溶液的黏度受溶液浓度的影响最大，它会随浓度的增加而增大。当溶液浓度增加时，纳米纤维直径的分布有明显不同，如聚氧乙烯（PEO）/H2O 体系的静电纺丝，当浓度较低时，所得纤维的尺寸分布曲线为单峰，而高浓度则为双峰。直径更小的附加峰的出现说明更高浓度的细流再次分裂的频率更高。

表面张力则更多地取决于高分子本身和使用溶剂的性质。例如当用乙醇/水（质量比 6∶4）混合溶剂代替纯水来溶解 PEO 时，3%（质量分数）溶液的表面张力值从 75.8 mN/m 降低至 50.5 mN/m。当溶液的黏度较低时，则出现静电喷涂的现象，典型的黏度值是1 mPa·s，例如打印机墨水这些水基染料溶液或悬浮液的黏度都是这一数量级；当流体黏度提高几个数量级后，典型的黏度范围为 0.1～20 Pa·s。由于黏度使静电射流的流体动力学稳定性提高，射流不会分解为液滴，从而形成纳米纤维。电荷密度则与所加电压和溶液的电导率有关，例如把 NaCl 添加到 PEO 水溶液中可以大大增加电纺丝纤维束所带的电荷。

纺丝条件

1. 电压

研究表明，当电压达到一定的临界值，悬在喷丝口的液滴便形成 49.3的圆锥，进一步加大电压，才会形成纤维。由此可见，施加电压是生成纤维的前提条件。一般说来，随着电压增大，高分子电纺液的射流有更大的表面电荷密度，因而有更大的静电斥力。同时，更高的电场强度使射流获得更大的加速度。这两个因素均能引起射流及形成的纤维有更大的拉伸应力，导致更高的拉伸应变速率，有利于制得更细的纤维。

2. 电极间距

喷嘴和收集板间距离（即电极间距）与纺丝最低电压的关系很大，电极间距加大，则需要加一个较大的电压才能得到纤维；电极间距减小，则需要较低的电压。同

时，电极间距的大小还影响到纤维束的干燥和劈裂细化，距离太短，溶剂得不到充分挥发就会粘连在一起，挥发不完全也会引起纤维直径的变大。

3.液体流速

通常进料速率由进料泵（或喷头倾角）来控制，太慢则纺丝速度低，太快则使纤维束得不到充分拉伸，纤维的直径也就变大，更有甚者以大块液滴的形式落到接收板上。

4.环境因素

温度、湿度和空气流速直接影响着溶剂的挥发干燥程度。干燥太快，会使液体粘在喷丝口，阻碍纺丝进行，纤维的直径也会变大。对纤维取向的研究表明，空气的流动还会影响纤维的定向，因此需要设置特殊的纺丝室。

2 静电纺丝制备纳米纤维的用途

静电纺丝技术现状

通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。然而，利用静电纺丝技术制备纳米纤维还面临一些需要解决的问题。首先，在制备有机纳米纤维方面，用于静电纺丝的天然高分子品种还十分有限，对所得产品结构和性能的研究不够完善，最终产品的应用大都只处于实验阶段，尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题。其次，静电纺有机/无机复合纳米纤维的性能不仅与纳米粒子的结构有关，还与纳米粒子的聚集方式和协同性能、聚合物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺等有关。如何制备出适合需要的、高性能、多功能的复合纳米纤维是研究的关键。此外，静电纺无机纳米纤维的研究基本处于起始阶段，无机纳米纤维在高温过滤、高效催化、生物组织工程、光电器件、航天器材等多个领域具有潜在的用途，但是，静电纺无机纳米纤维较大的脆性限制了其应用性能和范围，因此，开发具有柔韧性、连续性的无机纤维是一个重要的课题。

纳米纤维直径小,比表面积大, 应用于各个领域且能发挥要作用。而静电纺丝制备的纳米纤维较其他方法制备的纳米纤维具有独一无二的特征, 比如电纺制得的纳米丝可以很长,纤维直径可以更小,比表面积更大等。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