静电纺丝技术

静电纺丝技术的研究

摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。

关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理

前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。

纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。

一静电电纺丝技术

静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。由于静电雾化技术与静电纺丝技术原理类似，所以前者的研究也为后者提供了一定的理论基础[4]。因为静电纺丝过程涉及到的学科领域很多，所以至今对它的研究仍处于探索阶段，虽然早在1934年，Formals就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，在其专利中，他公布了如何以丙酮作为溶剂的醋酸纤维素溶液在电极间形成射流，从而在静电推力下产生聚合物纤维。

静电纺丝技术的思路最早来源于人们对液体在电场力作用下的电喷射行为

的研究。Raleigh在1882年研究发现，当液滴承受的电场力超过表面张力时，其原本的平衡状态被打破，悬挂在金属喷丝头上的液滴就分裂成一系列带电小液滴，这种不稳定现象后来被称为“Raleigh Instability”。Taylor自19 1 5年以来研究了

液滴在电场下发生分裂的问题，他发现随着电场强度的增加，其原本处于平衡状态的液滴逐渐被拉长，当液滴所承受的电场力和表面张力数值相等时，就形成了顶角为49.3℃的圆锥，这种带电的锥体后来被称为Taylor锥。在对液滴在电场力作用下的拉伸和分裂过程有了一个基本的认识之后，液体的电喷技术被逐渐应用于制备精细纤维，从而逐步发展成为获得高聚物纳米级纤维的静电纺丝技术。上世纪九十年代，Reneker教授所在的研究小组对一系列高分子材料进行静电纺丝，还对电纺丝过程中纤维的形成机理做了详尽阐述，进一步完善了静电纺丝技术的理论基础[6]。目前，对电纺丝技术的研究也仅仅局限于从射流动力学和不同聚合物纺丝等角度作一定的分析，而且静电纺丝的应用范围也很狭窄。近年来，由于纳米技术的迅速发展，推动了高压静电纺丝这种可用于制备纳米级纤维的技术的研究工作[7]。

静电纺丝制备微纳米多孔纤维的方法有多步法和一步法。

静电纺丝一步法制备纳米多孔纤维是通过将聚合物溶解在高挥发性的溶剂中，通过静电纺丝的过程，高分子的微小液体流在高压电场中被高速拉伸、溶剂发生快速挥发，促使液体流发生快速相分离，形成溶剂富集相和聚合物富集相，聚合物富集相固化最终形成纤维骨架，而溶剂富集相则形成纤维的孔道。

静电纺丝多步法又可以分为以下几种：（1）不同聚合物共混静电纺丝后处理法。该方法是分别制备两种聚合物纺丝液并将其按一定比例混合或将两种聚合物共同溶解在同一溶剂里，静电纺丝成型后，再通过后处理工艺去除其中一种成分，从而形成多孔结构。后处理工艺包括热降解、溶剂萃取和紫外光照射交联处理等方式。（2）聚合物溶液中添加无机成分静电纺丝后处理法，是通过在所制备的聚合物纺丝溶液中添加无机盐作为成孔剂，在溶液静电纺丝成型后，去除无机盐而形成纳米多孔结构。（3）聚合物溶液掺杂静电纺丝后处理法。该方法是在聚合物溶液中添加可溶性金属盐溶液或纳米粒子，共混后形成均匀溶液，再通过静电纺丝制备纳米纤维，经高温煅烧后去除有机成分，即可得到具有高比表面积的无机纳米多孔纤维。

二静电纺丝技术的装置与原理

2.1静电纺丝装置

静电纺丝装置主要分为3个部分：高压直流电源，喷丝装置和目标电极，如图1所示．直流高压电源的作用是提供高压，在喷丝装置与目标电极之间形成强电场，以便对带电聚合物进行高倍拉伸，电压一般在1 50 kV之间．喷丝装置一般由储液装置和喷丝部分组成[8]．储液装置常由于喷丝装置的加压而带电，且存在给液量不均匀的问题，往往给工业化生产带来很大不便．喷丝部分对空间电场分布有很大影响，存在很多变化．目标电极的作用是提供负极，以便收集纤维，研究者均采用接地的方式；但是因为它对空间电场也有很大影响，所以不同的研究者所采用的纤维收集装置也有所不同，如图2[9]所示：

图2各种类型的目标电极

2.2静电纺丝的原理

在静电纺丝工艺过程中，将聚合物熔体或溶液加上几千至几万伏的高压静电，从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时，表面产生电流[10]。相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样，当电场力施加于液体的表面时，将产生一个向外的力，对于一个半球形状的液滴，这个向外的力就与表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于高分子溶液或熔体的表面张力时，带电的液滴就悬挂在毛细管末端并处在平衡状态。随着电场力的增大，在毛细管末端呈半球状的液滴在电场力的作用下将被拉伸成圆锥状，这就是Taylor锥[11]。当电场力超过一个临界值后，排斥的电场力将克服液滴的表面张力形成射流，而在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动的时候，都会出现加速现象，这也导致了射流在电场中的拉伸，最终在接收装置上形成非织造状的纳米纤维.静电纺丝的思路6O年前就产生了。然而对静电纺丝的大量实验工作和深入的理论研究，却是近1O年中随纳米纤维的开发才完成的。当前,静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备方法之一。对静电纺丝的研究较深入