引言
       納米纖維嚴格意義上是指纖維直徑小于100nm的超微細纖維。它具有比表面積大、孔隙率高等特點，因而可廣泛應用于高效過濾材料、生物材料、高精密儀器、防護材料、納米復合材料等領域。20世紀90年代納米技術研究的升溫，使納米纖維的制備迅速成為研究熱點。靜電紡制備聚合物納米纖維具有設備簡單、操作容易等特點，是目前為止制備聚合物連續納米纖維最重要的方法之一。

1.靜電紡絲
       靜電紡絲設備的簡圖如圖1所示，主要由3部分組成：高壓電源、噴絲頭和纖維收集裝置。一般采用直流電源供應高壓電，而不是交流電源。靜電紡絲所需的高壓電為 1～30kV。注射器（或者移液管）將溶液或熔體輸送到其末端的噴絲頭處。噴絲頭是非常細的金屬管且裝有電極。收集裝置或接收板用于收集納米纖維，通過改變收集裝置的幾何尺寸與形狀，可調整納米纖維的排列形態。

2.靜電紡絲技術的原理
       早在1882年，Ｒaleigh的研究發現，帶電的液滴在電場中不穩定，進入電場之后，由于電場力的作用，容易劈裂成較小的液滴。Taylor的研究表明，帶電的液滴通過噴絲頭進入電場以后，在電場力以及液體表面張力的共同作用下，液滴逐漸被拉長，形成一個錐狀體（Taylor錐），并確定其角度為49.3°。
       靜電紡絲過程中，聚合物溶液或熔體被擠壓到噴絲頭，由于電場力和表面張力的作用，在噴絲頭處形成Taylor錐，隨著紡絲液不斷的被推入電場，紡絲液便會從Taylor錐尖端噴出，在電場中受電場力的作用而被繼續拉伸，當射流被拉伸到一定程度時，便會克服表面張力，發生非穩定性彎曲進而被拉伸并分裂成更細的射流，此時射流的比表面積迅速增大而使溶劑快速揮發，最終在收集裝置上被收集并固化形成非織造布狀的纖維氈。

3.靜電紡絲的影響因素
       靜電紡絲的影響因素主要包括溶液性質（如黏度、濃度、相對分子質量分布、彈性傳導率、介電常數、表面張力等），過程條件（如電壓、擠出率、噴絲頭與接收裝置之間的距離、噴絲頭直徑等）和環境因素（如溫度、濕度、氣體流速等）。對于這一方面，很多人進行了研究。
       現有的研究結果表明，在靜電紡絲過程中，影響纖維性能的主要工藝參數主要有：聚合物溶液濃度、紡絲電壓、固化距離（噴嘴到接絲裝置距離）、溶劑揮發性和擠出速度等。
     （1）合物溶液濃度
       聚合物溶液濃度越高，粘度越大，表面張力越大，而離開噴嘴后液滴分裂能力隨表面張力增大而減弱。通常在其它條件不變時，隨著聚合物溶液濃度的增加纖維的直徑也增大。
      （2）紡絲電壓
        隨著對聚合物溶液施加的電壓增大，體系的靜電力增大，液滴的分裂能力相應增強，所得纖維的直徑趨于減少。
     （3）固化距離
       聚合物液滴經噴嘴噴出后，在空氣中伴隨著溶劑揮發細流中的同時，合物濃縮固化成纖維，最后被接絲裝置接受。對于不同的體系，固化距離對纖維直徑的影響不同。例如，對于聚苯乙烯（PS）/四氫呋喃（THF）體系研究表明，改變固化距離，對纖維直徑的影響不明顯。而對于聚丙烯腈（PAN）/N，N-二甲基甲酰胺（DMF）體系，纖維直徑隨著接收距離的增大而減小。
     （4）溶劑
       與常規的溶液紡絲相似，溶劑的性質對溶液電的靜電紡絲纖維的成形與結構和性能有很大的影響，溶劑的揮發性對纖維的形態起著重要的作用。

4靜電紡絲技術的應用
      隨著納米技術的發展，靜電紡絲作為一種簡便有效的可生產納米纖維的新型加工技術，將在生物醫用材料、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領域發揮巨大作用。
①在生物醫學領域，納米纖維的直徑小于細胞，可以模擬天然的細胞外基質的結構和生物功能；人的大多數組織、器官在形式和結構上與納米纖維類似，這為納米纖維用于組織和器官的修復提供了可能；一些電紡原料具有很好的生物相容性及可降解性，可作為載體進入人體，并容易被吸收；加之靜電紡納米纖維還有大的比表面積、孔隙率等優良特性，因此，其在生物醫學領域引起了研究者的持續關注，并已在藥物控釋、創傷修復、生物組織工程等方面得到了很好的應用。

②纖維過濾材料的過濾效率會隨著纖維直徑的降低而提高，因而，降低纖維直徑成為提高纖維濾材過濾性能的一種有效方法。靜電紡纖維除直徑小之外，還具有孔徑小、孔隙率高、纖維均一性好等優點，使其在氣體過濾、液體過濾及個體防護等領域表現出巨大的應用潛力。

③靜電紡纖維能夠有效調控纖維的精細結構，結合低表面能的物質，可獲得具有超疏水性能的材料，&并有望應用于船舶的外殼、輸油管道的內壁、高層玻璃、汽車玻璃等。但是靜電紡纖維材料若要實現在上述自清潔領域的應用，必須提高其強力、耐磨性以及纖維膜材料與基體材料的結合牢度等。

④具有納米結構的催化劑顆粒容易團聚，從而影響其分散性和利用率，因此靜電紡纖維材料可作為模板而起到均勻分散作用，&同時也可發揮聚合物載體的柔韌性和易操作性，還可以利用催化材料和聚合物微納米尺寸的表面復合產生較強的協同效應，提高催化效能。

⑤靜電紡納米纖維具有較高的比表面積和孔隙率，可增大傳感材料與被檢測物的作用區域，有望大幅度提高傳感器性能。此外，靜電紡納米纖維還可用于能源、光電、食品工程等領域。

5靜電紡絲的技術進展

5.1靜電紡絲法的技術改進

（1）共靜電紡絲

2003年，德國菲利浦大學與以色列扎司門（Zussman）一起開發了共靜電紡絲技術。這種紡絲技術有2種溶液，使用2個噴嘴。在噴嘴的前端形成復合液滴，產生噴射流，內側的液滴也進入到噴射流之中。因此，液滴控制較困難。如果控制得好，則變成芯-殼結構，使用這種方法也可以制造中空纖維。

（2）TUFT的開發

TUFT是管形纖維模板的縮寫，是用聚合物制造納米纖維，使其他聚合物、金屬、陶瓷等吸附在納米纖維上，然后除去原來的聚合物，中間變成中空。也可以制成復合層，制作納米電容器。例如，如果在鈀粒子的外側添加聚合物，就可以得到內側是導電體、外側有絕緣層的納米電纜。如果使鋁附著在聚合物上，就可以得到氧化鋁管；使鉻附著在聚合物上，也就得到鉻管。

（3）復合噴嘴

靜電紡絲基本上是采用噴嘴方式，日本滋賀縣立大學開發了復合噴嘴。為了連續制造納米纖維非織造布，復合噴嘴不可缺少。由于各噴嘴上、下、左、右的間隔大，靜電排斥的影響變小。因此，一般按左、右10mm、上、下50mm的間隔配置噴嘴。噴嘴采用內徑0.5mm的不銹鋼管，使用耐藥品性好的氟橡膠管向各鋼管輸送溶液。各不銹鋼管插入到銅管上所開的孔中，對該銅管施加高電壓。為此，不銹鋼管要固定到和銅管牢固接觸的程度，但可以拆卸。現在使用的噴嘴為線狀排列形式。

5.2 M-ESP的開發

F.Ko等將擠壓機的噴嘴接地，給捕集器（纖維接收器）施加高電壓，靜電噴紡聚丙烯（PP），但使用該裝置沒有得到平均直徑1μm以下的纖維。而且，捕集器上所收集到的纖維在高電壓施加狀態下不能取出，存在工業應用問題。Warner將PP充填的注射器用塑料管卷繞，使熱載體在其中循環制造成熔融體，將紡絲空間置于加熱狀態，在安裝注射器上的噴嘴和捕集器之間施加高電壓，第一次得到了納米纖維。Joo等給注射器加入聚乳酸（PLA），制造了能夠控制注射器溫度、紡絲溫度、捕集器溫度的裝置，成功地制造出了PLA納米纖維。上述研究使用的裝置，是在容器中制造高分子熔體，在容器的一部分上設置噴嘴。這只是在S-ESP上將高分子溶液換成了熔體，這種方法也可以說是S-ESP的延伸。

日本福井大學開發了從遠方給高分子棒照射激光，對其一部分制造成熔融體，并對該熔融體施加高電壓的裝置。該裝置的作用原理是以一定速度（約0.2mm/s）向熔融部供給高分子棒狀材料（直徑約小于1mm），用二氧化碳激光從3個方向同時加熱其前端，在局部使高分子棒均勻熔融，并給該高分子熔體施加高電壓，在紡絲空間加熱狀態下由靜電牽引力制造成纖維。激光照射部分呈紡錘形，從其下部方向生成1根纖維（圖2）。
對各種高分子纖維試制的結果表明，都是只從熔融部形成1根纖維，收集在捕集器上的纖維其平均直徑為1μm以下。該裝置的特征是：因為使用激光加熱熔融，可以瞬間進行局部加熱，能量損失小；因為是間接加熱，裝置要求不高；因為不使用噴絲板，熔點高的切片也可以紡絲。

6結束語

目前，靜電紡納米纖維技術還處于發展初期，但已可見其廣闊的應用前景，以后它還會創造數以億計的市場價值。研究者們也將會克服納米纖維應用領域的各項技術難關，也許各項技術能帶動整個紡織產業的科技進步。當然，這些技術的進步還需要社會各領域，如紡織技術、化學技術、生物學、高分子科學和材料科學等的密切合作才能完成。

來源：中國期刊網

作者：郭杰莊 佛山輕子精密測控技術有限公司