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
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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。
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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。
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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
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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结构和生物功能；人的大多数组织、器官在形式和结构上与纳米纤维类似，这为纳米纤维用于组织和器官的修复提供了可能；一些电纺原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作为载体进入人体，并容易被吸收；加之静电纺纳米纤维还有大的比表面积、孔隙率等优良特性，因
此，其在生物医学领域引起了研究者的持续关注，并已在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面得到了很好的应用。
②纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而提高，因而，降低纤维直径成为提高纤维滤材过滤性能的一种有效方法。静电纺纤维除直径小之外，还具有孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优点，使其在气体过滤、液体过滤及个体防护等领域表现出巨大的应用潜力。
③静电纺纤维能够有效调控纤维的精细结构，结合低表面能的物质，可获得具有超疏水性能的材料，并有望应用于船舶的外壳、输油管道的内壁、高层玻璃、汽车玻璃等。但是静电纺纤维材料若要实现在上述自清洁领域的应用，必须提高其强力、耐磨性以及纤维膜材料与基体材料的结合牢度等。
④具有纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率，因此静电纺纤维材料可作为模板而起到均匀分散作用，同时也可发挥聚合物载体的柔韧性和易操作性，还可以利用催化材料和聚合物微纳米尺寸的表面复合产生较强的协同效应，提高催化效能。
⑤静电纺纳米纤维具有较高的比表面积和孔隙率，可增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅度提高传感器性能。此外，静电纺纳米纤维还可用于能源、光电、食品工程等领域。
2. 1 生物医药功能材料
静电纺丝制得的纳米纤维由于具有非常好的生物相容性和结构相容性，已经在组织工程支架、创伤修复、药物释放控制等方面得到了广泛应用 。
至今, 有上百篇的文章已经发表描述了用静电纺丝纳米纤维缠结成组织支架。例 如, 胶原蛋白是细胞外部母体的主要成分, 它拥有纤维结构包含了 50 ~ 5 00 nm 不等的纳米束。为了寻一种合适的支架材料,而理想的支架特征应该同细胞外部 母体的物理化学特征和生物特征类似, 许多学者在这方面做了很多研究。最后发现在形态学上, 静电纺丝纳米纤维缠结同人体天生的细胞外部母体相似, 因此 该纳米纤维可用来应用于细胞培养和组织工程的支架材料。静电纺丝技术使生产 复杂的、免缝合的三维纳米纤维支架成为可能, 在该支架内不同类型的细胞生长增殖可以形成人造组织。 Ribold iStefani等人用静电纺丝法制备出可降解的聚酯型聚氨酯纳米纤维, 该纤维可用在骨骼的肌肉组织工程支架, 发现无毒性残留,力学
静电耳机性能较好, 且细胞的培养结果表明, 组织细胞可以很好地粘附于静电纺丝 支架上, 并进行细胞分裂增殖,说明其生物相容性很好。
一项对外伤恢复情况的研究测试显示: 相对于普通的棉纱布, 使用电纺胶原 蛋白纳米纤维膜会使伤口在早期恢复的更快。进行人体腹部手术时,组织粘连不仅 阻碍了后续手术的进行,而且可能引起如小肠阻塞, 女子不孕症等并发症, 因此 它一直是备受医学界关注的一个难题。实践证明, 在静电纺丝纳米纤维膜上添加 有机抗菌剂能够起到阻碍组织粘连的作用, 从而促进伤口愈合。
2.2 过 滤 材 料
反光雨衣为了去除空气或液体中的杂质, 过滤器广泛用于家庭和工业中。环境保护中, 过 滤器用于过滤空气或水中的污染物。军用中, 口罩过滤器可用来过滤空气中的灰尘, 细菌甚至病毒。而静电纺丝制得的纳米纤维应用于制作过滤材料已有一段很长的历史了。压降一定的条件下，与传统过滤纤维相比，静电纺丝法制得的纳米纤维对细小的颗粒有更好的吸附作用。这是由于纳米纤维周围的空气形成了滑流, 增强了颗粒的弥散、截留作用,惯性碰撞几率增大。
