静电纺丝的原理以及应用

静电纺丝的原理以及应用

静电纺丝技术是一种利用高压静电场将聚合物溶液或熔体拉伸成纳米纤维的技术。该技术自1934年被发明以来，经过近百年的发展，已经在生物医学、环境保护、能源等多个领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍静电纺丝的基本原理、装置组成、技术发展及应用现状。

一、静电纺丝原理

当聚合物溶液或熔体被推出喷丝头时，表面张力会促使其形成球形液滴。而由于喷丝头上外加了高电压，使液滴表面带同种电荷。当静电排斥作用足够强时，可以抵消表面张力作用，此时液滴不是球形而是圆锥形。随着电压的加大，聚合物液滴被逐渐拉长形成锥体（Taylor锥）。毛细管的Taylor锥顶点被加速，当电荷斥力大于表面张力时，聚合物液滴形成射流从Taylor锥表面喷出，同时溶剂挥发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡（网或者膜）。根据收集装置与喷射装置的间距，静电纺丝技术还可以分成近场直写静电纺丝和远场静电纺丝。

1. 远场静电纺丝

1934年，Formhals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，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。在远场模式中，喷丝头到接收器的距离为5 ~ 15 cm, 电源电压大约在10 ~ 20 KV之间。使用远场模式进行纺丝时，可以得到比近场模式更细的纳米纤维，纺丝速度也更快。但是无法精准地控制纳米纤维在收集器上的位置。

2. 近场静电纺丝

近场静电纺丝也称近场直写技术、电流体喷印技术。2006年，近场静电纺丝的概念首次在厦门大学孙道恒等发表于纳米快讯（Nano Letters）的报道中提出。 近场直写静电纺丝工艺是指当收集装置与喷头间距控制在0.5～5mm范围时，辅助精密运动控制，就可以通过近场静电纺丝技术制备出高度有序取向的纳米纤维。

图1 近场静电纺丝原理示意图

二、静电纺丝机的组成

静电纺丝装置主要由三部分组成，分别是高压电源、喷射装置和接收装置。

图2 静电纺丝机的主要组成模块

1. 静电纺丝喷射装置

喷射装置可根据实验需要更换，最常见的是单针装置。当需要增加纳米纤维的产量时，可以配置多针喷嘴装置。目前，多针喷嘴模块广泛应用于静电纺丝生产线，提高了纺丝效率。随着喷射装置的不断发展，静电纺丝设备是目前较适合纳米纤维工业化生产的设备。

图3 各种静电纺丝喷射装置

2. 静电纺丝接收装置

收集装置或接收板用于收集纳米纤维。接收装置的形式是多样化的，包括平板收集装置、滚筒收集器、笼型收集器、碟型收集器等。通过改变收集装置的几何尺寸和形状，可以调整纳米纤维的排列。

图4 各种静电纺丝收集装置

3. 静电纺丝高压电源

在静电纺丝时，一般使用直流电源。也可以将交流电源与直流单元结合辅助，采用低电压波形直接写入来实现高分辨率蛇形图案。外加电压是一个重要的参数，只有当电压超过临界值时，液滴才能被拉伸成为纤维。当电压较低时，纤维易出现珠状缺陷。静电纺丝所需的高压为1 ~ 30KV。

图5 两个由铜箔制成的平行辅助电极连接

三、近场静电纺丝分类

近场静电纺丝可按照打印材料类型分为溶液直写静电纺丝技术和熔体直写静电纺丝技术。

溶液直写

溶液直写静电纺丝工艺，即将打印材料制备成溶液状，在静电场的作用下进行打印，可制备50nm ~ 20um丝径范围的纤维，材料适用范围更广。

图6 溶液直写静电纺丝所打印的纤维微观

熔体直写

熔体直写静电纺丝工艺，即将打印材料加热熔融，在静电场的作用下进行打印，可制备500nm ~ 50um丝径范围的纤维，非常适合用于生物三维组织工程支架的制造。

图7 熔体直写静电纺丝所打印的纤维微观

四、技术发展

4.1 静电纺丝法的技术改进

（1）共静电纺丝
2003年，德国菲利浦大学与以色列扎司（Zussman）一起开发了共静电纺丝技术。这种纺丝技术有2种溶液，使用2个喷嘴。在喷嘴的前端形成复合液滴，产生喷射流，内侧的液滴也进入到喷射流之中。因此，液滴控制较困难。如果控制得好，则变成芯-壳结构，使用这种方法也可以制造中空纤维。

（2）TUFT的开发
TUFT是管形纤维模板的缩写，是用聚合物制造纳米纤维，使其他聚合物、金属、陶瓷等吸附在纳米纤维上，然后除去原来的聚合物，中间变成中空。也可以制成复合层，制作纳米电容器。例如，如果在钯粒子的外侧添加聚合物，就可以得到内侧是导电体、外侧有绝缘层的纳米电缆。如果使铝附着在聚合物上，就可以得到氧化铝管；使铬附着在聚合物上，也就得到铬管。

（3）复合喷嘴静电纺丝
基本上是采用喷嘴方式，日本滋贺县立大学开发了复合喷嘴。为了连续制造纳米纤维非织造布，复合喷嘴不可缺少。由于各喷嘴上、下、左、右的间隔大，静电排斥的影响变小。因此，一般按左、右10mm、上、下50mm的间隔配置喷嘴。喷嘴采用内径0.5mm的不锈钢管，使用耐药品性好的氟橡胶管向各钢管输送溶液。各不锈钢管插入到铜管上所开的孔中，对该铜管施加高电压。为此，不锈钢管要固定到和铜管牢固接触的程度，但可以拆卸。现在使用的喷嘴为线状排列形式。

（4）无针头喷嘴
尽管在单针头的基础上发展了多针头的喷丝装置，但针头的尺寸非常小，相应单位时间内的出液量就低，且由于存在针头易堵塞、难以清理的问题，进一步发展了无针头式的喷丝装置。
无针头电纺工艺由于摒弃了纺丝针头，其喷丝装置的结构形态可谓多种多样，这种无针头的电纺工艺为静电纺丝技术的批量化生产提供了研究基础。
根据喷丝装置是运动还是静止，将无针头喷丝装置分为动态喷丝装置和静态喷丝装置两大类。
动态喷丝装置包括圆柱/圆盘/球形/螺旋形喷丝装置，静态喷丝装置包括丝状/缝隙、异形结构、气泡、磁流体等。

五、应用

图8 静电纺丝应用领域

图9 静电纺丝的各种纳米结构以及应用场景

六、发展方向

随着纳米纤维的迅速发展，若想满足各领域发展要求，且实现工业化生产，批量制备静电纺有序纳米纤维需求会日益提升，且要求的定向纳米纤维集合体的形态将会更加多样化。这是因为传统静电纺纳米纤维多为无序排列结构，具有各向同性，力学性能较差等缺陷，限制了纳米纤维在许多领域的应用，因此纳米纤维的定向排列被越来越多的应用所要求。
目前可以通过静电、磁力及机械方法获得有序纳米纤维。有序纳米纤维集合体具有各向异性，在组织工程支架、光电器件的电子元件、化学传感器及细胞定向培养基等领域应用日益广泛。
获取批量制备的纳米纤维大多需要在喷丝头上做改进，即多针或无针静电纺丝装置，目前已有气泡纺等较成熟且优异的方法实现批量制备；若要获取静电纺有序纳米纤维，则主要通过改进接收装置及控制电场的方法来实现，如采用辊筒或者平行电极等，可获得不同形态的取向纳米纤维。
利用简单装置制备批量高度取向的纳米纤维集合体将是今后静电纺领域的一个重点研究方向。而取向纳米纤维的研究和制备，极大地拓宽了纳米纤维的应用领域，在组织工程领域发展潜力巨大。