静电纺丝技术的研究及应用

静电纺丝技术的研究及应用
常
会，范文娟
（攀枝花学院生物与化学工程系，四川
攀枝花617000）
摘
要：介绍了静电纺丝的装置、静电纺丝基本原理及影响纤维成形与纤维形貌的各种因素，同时叙述了静电纺丝在过滤材
料、生物医学工程、电学和光学、催化剂载体材料方面的应用。

最后对静电纺丝发展方向进行了展望。

关键词：静电纺丝；纳米纤维；应用
Research and Application of Electrospinning Process
CHANG Hui ，FAN Wen －juan
（Biology and Chemistry Engineering College ，Panzhihua University Panzhihua ，Sichuan Panzhihua 617000，China ）Abstract ：The basic principle of electrospinning ，equipments of electrospinning ，and parameters influenced the fiber formation and fiber morphology were introduced．The application of the electrospun nanofibers in many fields of filtration material ，biomedical engineering ，electrology and photology and catalyst carrier material was introduced．Finally ，the de-velopment of the electrospinning was prospected as well．
Key words ：electrospinning ；nanofibers ；application
作者简介：常会（1984－），男，助研，主要从事功能型高分子材料的研究。

静电纺丝又称电纺技术，是聚合物流体或熔体在高压电场作用下从喷嘴进行喷射拉伸而获得固体纳米级纤维的纺丝方
法。

最早可以追溯到1974年，Bose 所发现在流体液滴上施加高压电场所产生的电喷雾技术［1］。

直到1934年，由Formhals ［2］
发明了一种用静电推力使丙酮作溶剂的醋酸纤维素溶液产生聚合
物细丝的设备，
并且申请了专利，此后较多研究者对静电纺丝进行了研究。

20世纪90年代以后，随着纳米材料和纳米技术研究的兴起，静电纺丝技术引起人们的重视。

静电纺丝所纺纤维除
直径小的特点外，
还具有诸多优势如纤维取向各向异性、比表面积大、孔隙率高、精细程度一致和均一性高与长径比大等优点，使其在化学、物理（热、光、电磁等）学等领域具有特殊性质，因而在医药、工业、国防等方面具有巨大的应用潜力，引起研究者浓
厚的兴趣
［3－6］。

1静电纺丝装置
静电纺丝装置主要由3部分组成：高压电源、溶液储存装
置、喷射装置与接收装置组成。

高压静电场一般采用最大输出电压为30 100kV 的直流高压静电发生器来产生。

溶液储存装
置可以使用注射器或储液管等，
装置内装满聚合物溶液或熔体，并插入一个金属电极。

该电极与高压电源相连，使液体带电。

喷射装置为内径0．15 2mm 的毛细管或注射器针头。

静电纺
丝装置包括平行式［7］和垂直式［8］
两种。

垂直式静电纺丝机的喷
丝头与收集板是垂直排布（立式）的，
利用液体或熔体本身的重力使其从针孔处流出，垂直式纺丝装置最简单、主要用于静电纺丝的基础研究；平行式静电纺丝机的喷丝头与收集板水平排布
的，
利用数控机械装置缓慢推动注射器将溶液或熔体挤压出来。

最早的接收装置是金属平板，为了实现静电纺丝纤维形态的可控和特定取向结构的制备，研究者们发展了圆柱状转鼓接收装
置、旋转圆盘接收装置、框架接收装置、尖端接收装置和相对圆
环接收装置等［9］。

近年来还发展了多喷头的纺丝装置，在纺丝过程中将不同聚合物分别放置在不同的喷嘴里，并且高速往复移动收集滚筒，最终制得的不同聚合物纳米混合纤维能很好地均匀结合在一起，并且使用多喷嘴可以提高静电纺丝的生产率。

图1典型静电纺丝装置图—
平行式
图2典型静电纺丝装置图—垂直式
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21·广州化工2011年39卷第21期
2静电纺丝原理及影响因素
2．1静电纺丝原理
静电纺丝过程中，将适当浓度的纺丝溶液或熔体置于储液管中，放入电场并将阳极插入储液管溶液或熔体中，阳极从高压静电场发生器导出。

电场未启动时，对于垂直式电纺装置，由于储液管中的溶液受到重力的作用而缓慢流动到针头上，对于平行式装置，由微量注射泵给注射器活塞一个连续恒定的推力，注射器中的聚合物溶液或熔体以固定速率被挤出到针头上。

当高压电场未开启时，纺丝液在其重力、自身粘度和表面张力的协同作用下形成液滴悬挂于喷口，电场开启时，聚合物溶液表面会产生电荷，电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会产生一种与表面张力相反的力。

电压不够大时，液滴表面的表面张力将阻止液滴喷出而保持在喷嘴处。

当外加的电压增大时，即将滴下的液滴半球型表面就会扭曲成一个锥体，锥体角度为49．3ʎ，也称为Taylor锥［10］。

继续加大外加电压，当电压超过某一临界值时，溶液中带电部分克服溶液的表面张力形成一股带电的喷射流从喷嘴处喷出。

在电场的作用下，当射流被拉伸到一定程度时，就会发生“非稳定弯曲”（bending instability）及进一步的分裂拉伸现象，此时由于射流的比表面积迅速增大而使溶剂快速挥发，最终在收集网上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。

2．2静电纺丝影响因素
影响静电纺丝的因素和工艺参数有很多，可以归为2类：①体系因素，包括聚合物的分子质量、分子质量分布和溶剂性质如（粘度、电导率、介电常数和表面张力）等；②电纺工艺参数，包括施加的电场强度、溶液浓度、溶液流动速率、喷丝口的尺寸、喷丝口与接收器的距离和环境条件（温度、湿度、空气流动速率）等。

其中溶剂的选择、溶液浓度、施加的电场强度与喷丝口与接收器的距离是影响纺丝的主要因素。

（1）溶剂：溶剂的选择与电纺聚合物的种类、溶剂的挥发性、溶剂与聚合物之间的相溶性和溶剂与聚合物分子链之间的相互作用有关。

Ohkawa等［11］分别使用了无机溶剂、无机溶剂和挥发性有机溶剂的混合溶剂及高挥发性的有机溶剂对纯壳聚糖进行静电纺丝，对纤维的形貌进行分析，发现使用高挥发性的有机溶剂能制备形貌均匀与超细电纺纤维。

张玉军等［12］选用异丙醇/水和DMAC作为溶剂对浓度为10%的乙烯－乙烯醇嵌段共聚物（EVOH）溶液进行静电纺丝，发现溶剂DMAC与分子链相互作用较小，使用DMAC纺丝，能获得直径较小且分布较窄的纳米纤维。

（2）溶液浓度：所有的纺丝液都有一个可纺浓度，低于该浓度，纺丝液以液滴或珠结的形式喷出，不能形成纤维或形成的纤维具有珠结状；高于该浓度，粘度过大，纺丝液流动困难，阻碍纺丝进行。

史知峰等［13］以DMAC/丙酮为溶剂，在浓度为15．2% 21．2%时，对PSU/PPS电纺纤维形貌进行研究。

当溶液浓度为15．2%时，所制备的纤维带有珠结状，当溶液浓度为18．3%时，珠结状消失，得到均一平滑的纤维。

（3）施加的电场强度：一般随着电场强度增大，体系的静电力增大。

同时，高的电场强度使射流获得较大的加速度。

这两个因素均能引起射流静电应力增大，导致拉伸速率增大，有利于制得更细的纤维［14］。

若在溶液中适当加入一些电解质以提高溶液的导电性能，就可以制得更细的纤维［15－16］。

（4）喷丝口与接收器的距离：纺丝距离太近，溶剂来不及挥发，纤维容易相互粘结。

纺丝距离太大，由于电场强度变弱丝束不易收集在接收屏上。

随着接收距离的增加，所得纤维的直径减小。

3静电纺丝纳米纤维的应用
通常情况下，利用聚合物静电纺丝得到的是直径在纳米级别、孔径在微米级别的纤维。

静电纺丝纤维具有独特的性能，如高比表面积、优异的力学性能、多孔性、质量轻、成本低等。

使其在过滤材料、生物医学工程、电学和光学、催化剂载体材料等领域都有研究和应用。

3．1过滤材料
利用静电纺丝方法能够得到直径在几十或几百纳米的纤维，具有极大的比表面积，同时纤维表面的多孔结构，使其具有很强的吸附力、良好的过滤性和低空气阻力性，很适合用作过滤材料［17］。

Ki等［18］通过静电纺丝法制备PAN纳米纤维用作过滤材料，与普通的聚烯烃纤维、HEPA和ULPA过滤材料相比，过滤效率显著提高。

Gopal等［19］通过静电纺丝制备了孔径为4．6μm 聚砜纳米纤维膜，使用该膜对聚苯乙烯颗粒进行过滤测试，发现该纳米纤维对于粒径为7μm、8μm、9μm的聚苯乙烯颗粒的过滤效率高达到99%。

3．2生物医学工程
纳米纤维在生物医药方面的应用是目前研究的重点，主要包括组织工程支架、表面敷料、药物缓释、仿生材料、人工器官医用绷带、呼吸面罩等。

静电纺丝纤维支架不仅与细胞外基质在形态结构上具有相似性，而且具有一定的力学性能，可俘虏浮质而防止病菌侵入，满足了组织工程支架对材料的细胞粘附性和膜渗透传质作用的要求。

Qi等［20］通过静电纺丝的方法制备了BuOH/DCM/PLLA多孔聚乳酸纤维，该纤维具有比表面积大、表面粗糙、孔隙率高、力学性能好和可生物降解等优点，适用于作医学组织工程骨架。

电纺纤维还可以用作药物缓释材料，将药物或蛋白质分子加到静电纺丝的纺丝液中，制备为纤维后药物或蛋白质将均匀分布于聚合物纤维内，选用不同材质的纤维，可以实现药物的缓释，并且因为药物在载体内部，可以避免药物初期突释所产生的危害。

静电纺丝制备的纳米纤维还因具有很好的生物仿生性和良好的水气运载功能，常用作医学仿生材料。

Cary等［21］用电纺法制造出由天然凝血因子纤维蛋白原所制成的新绷带，纤维蛋白原绷带可以增强机体形成天然血栓的能力，从而立即减少失血。

这种绷带因为它的成份与真的血凝块一样，机体在愈合过程中可以自性逐步解除。

3．3电学和光学领域
聚合物通过静电纺丝制备的发光纳米纤维材料因其优异的光学、电学性能而成为研究的热点。

顾明波等［22］采用Pechini法合成了La6WO12：Eu3+纳米荧光粉，通过静电纺丝法将该荧光粉与聚乙烯醇（PVA）水溶液制成荧光纳米纤维膜，对其进行了性能测试表明：该荧光纳米纤维膜可以被氮化铟镓（InGaN）或氮化镓（GaN）发光二极管有效激发而产生红色发光。

迄今，静电纺丝纳米纤维膜在太阳能电池，燃料电池等电学领域已取得了一定的成果。

Priya等［23］通过静电纺丝制备了PVDF－HFP的纳米纤维毡，并以该纳米纤维制备的薄膜电解质为基础，制得半固体染料敏化太阳能电池。

3．4催化载体材料
静电纺丝制备的纤维毡具有比表面积大、多孔性结构、对气/液流阻力低、柔韧性好与可重复利用［24］等优点，可以作为催化剂载体使用。

通过静电纺丝的方法将催化剂固定在均相或非
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均相纳米纤维上，可以有利于催化剂的分散、增加光催化剂的整体比表面积、方便使用，而且载体与半导体之间的相互作用有利于光生电子－空穴对的分离和提高催化剂的活性和稳定性。

许淑燕［25］等用静电纺丝法制备出PVP/Zn（CH3COO）2复合纳米纤维，经烧结得到ZnO纳米纤维。

以ZnO纳米纤维对亚甲基蓝溶液进行光催化降解研究，对照自制ZnO纳米颗粒的光催化降解效果，证明ZnO纳米纤维不仅具有良好的光催化性能，还具有很好的重复使用性能。

He等［26］采用静电纺丝先制备出羧基化的PVDF纳米纤维毡，再通过水热反应制备出TiO
2
－ZnS/氟碳聚合物电纺纤维复合材料。

在可见光条件下用该催化体系对水溶液中次甲基蓝进行降解，发现其效率效率明显高于同等浓度的纳米TiO2粉体。

并且半导体粒子在使用中的流失量少，具有较好的重复光催化降解能力。

4结语
静电纺丝是最简单高效制备纳米纤维的基本技术。

通过静电纺丝制备的纳米纤维在化学，物理学，生物医学等传统产业和高科技领域都有广泛的应用并且具有很好的潜在开发前景。

近10年来，静电纺丝技术虽然得到一定的发展，但是静电纺丝技术主要还处于实验室研究阶段，距工业化生产还存在一定的距离。

当前静电纺丝的技术还不是很成熟，未来的研究重点要放在以下几个方面：（1）对静电纺丝影响因素的更深入探讨，调整静电纺丝过程中各个影响因素之间的关系和合适的工艺参数选择及新型纺丝设备的设计来控制纤维直径与纤维的拉伸取向方向，从而增强纤维强度；（2）开发产量高的静电纺丝机，如使用多喷丝头和改变静电纺丝流体带电荷的方法，增加纤维产量，真正实现静电纺丝的工业化；（3）研发适合不同用途的纳米纤维功能型材料，如高效率的光催化材料、无毒性的仿生医学材料及环保型太阳能电池等。

相信随着静电纺丝技术的不断发展，静电纺丝将在更加广泛的领域里发挥出更为重要的作用。

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