静电纺丝织造技术及其应用

静电纺丝(电纺丝)是通过强电场作用使得聚合物溶液或熔体发生喷射作用而制备纤维的一种新型纺丝技术。聚合物纺丝时多是以溶液形式，有少数是在熔融态下进行电纺。静电纺丝根据高压电场下导电液体产生喷射的原理，在熔体或溶液上通几千伏以上的高压，使得喷丝头末端的液滴被电场加拉成圆锥状(即Taylor锥)。在电场强度超过某一临界值后，即临界电场力时，形成射流傣f速一般为几m／s)。由于射流受到拉伸作用，在经过溶剂的挥发或者熔体的冷却后，最终在接收屏上得到亚纳米甚至是纳米级的超细纤维。1934年，美国Formals在静电力下，采用醋酯纤维素(cA)进行溶液纺丝。此后人们进行了大量的研究，20世纪9O年代以来，由于纳米热潮的到来而迅速兴起。近年来，在国内的北京大学、清华大学、天津大学、东华大学、苏州大学等在静电纺丝技术领域的研究已经取得了长足的发展。

1静电纺丝设备和纺丝原理

静电纺丝设备一般由三部分组成：高压电流源(一般为直流)，喷丝装置和金属收集装置(如图1)。高压电流源的作用主要是提供产生纤维时必需的高压电场，电压I～50KV。喷丝装置又由两部分组成，分别是储液装置和喷丝头。前者是一种可稳定提供聚合物溶液或熔体的装置，它可以是一个小型针管或吸液管，后者一般是数个金属针头或者毛细管，其可以使流体匀速流出形成悬垂液滴，而不至于过快坠落。喷丝头内径为0．35-1．5mm；同时为了保证高压源与聚合物溶液或熔体稳定相连，特使液体充分带电。通常用金属铂或铜等制成的金属电极插入聚合物溶液或熔体中。收集装置主要是接收由喷丝头喷出而纺丝制得的超细纤维，通常是一块接地或者连接高压源另一极的金属屏板、网格或滚筒；此外通过调纺丝体系的电场分布还可以获得不同几何形貌和方向排布的纤维。纺丝设备一般采用卧式，喷丝头管轴水平或与水平方向向下倾斜5 10度，避免液滴滴在收集装置上，还能防止溶液流出造成喷丝头堵塞，降低喷丝速率，从而获得均匀的超细纤维。溶液或熔体通过金属电极与电源连接通电，同时对聚合物液体施加一定压力使喷丝口端含有液滴而又不至于滴落，聚合物溶液在表面张力和电场力的共同作用下，随着电压增大，电场强度增强，悬挂在喷丝头上的液滴慢慢被拉长，变成圆锥形，平衡时顶端角为49．3度，这个倒圆锥被称为泰勒锥(Taylor cone)。当液滴受到的电场力达到某一临界值时，带电的液滴从Taylor锥尖端射出，形成高速射流，溶剂挥发(若为熔体，射流固化形成纤维)，射流受到拉伸作用可使纤维拉伸达106倍，由于电荷密度增加，静电排斥力增加弯曲不稳定射流或鞭动不稳定射流(有时进一步细化和裂分使纤维直径更细)从而获得超细纤维。最后，静电纺形成的带电超细纤维随机落在接收屏上，得到膜状、薄纸状或绒毡状的非织布。

随着对静电纺丝技术研究的深入，纺丝装置也在不断地完善和发展。Jo Seong Mu等发明了双高压源体系，通过在收集装置上加载与喷丝头相反的高压，有效地集中了电场，避免周边电场的干扰，从而提高了收集效率。Dan Li等人则采用了新型的同轴嵌套式双喷丝头，纺出具有内外双层结构的超细纤维及中通管，此外还利用平行板接收电极获得了在水平面上按同一个方向有序排列的纤维，突破了纺丝纤维多数只能以无纺布存在这一局限2004年11月，捷克利贝雷茨技术大学宣告与爱勒马可公司合作生产的世界上首台纳米纤维纺丝机问世，该机器无喷丝头，能够大批量生产直径在100—300nm的纤维和幅宽超过1米的大幅纳米无纺布，这是纳米纺织机器的又一次重大突破。而在国内，四川大学纺织研究所研制成了新型的气流一静电纺丝机(简称气一电纺丝机)，其纺丝纤维较常规电纺设备更为轻细而均匀，同时也提高了纺丝效率。

2影响电纺丝的主要工艺参数

各种工艺技术参数对静电纺丝产品最终特性的影响，主要包括：纺丝距离、溶液浓度、电压、纺丝压力及电流。

2．1纺丝距离

所谓纺丝距离即静电纺丝时喷丝头端部到金属接收屏之间的距离。距离太近，溶剂来不及挥发，纤维容易相互粘结，纺丝距离增大使得纤维平均直径变小，分散系数变大，但距离太大电场强度变弱，则丝束很难收集在接收屏上。因此，通常纺丝距离为0．5—30cm。同时若纺丝液溶剂的挥发性大，则需相应缩小纺丝距离。

2．2溶液浓度

若相对分子质量一定，溶液浓度增大，纤维科控平均直径变大，分散系数变小，粘度变大。而粘度又影响流体的可纺丝。溶液浓度过高，粘度太大，体系内聚力强，溶液难以流动容易在喷丝口处凝结，需要较高的电场强度克服液滴表面张力和粘弹力，才能进行纺丝。溶液浓度太低，粘度低，则链的缠结不牢，射流不稳，直径不均，容易成滴状喷射甚至断流使得纤维之间发生粘连。

2．3电压

临界电压即当电场力恰好可以克服喷丝头端部液滴表面张力及粘弹力产生射流时的电压。它可以通过理论计算也可以采用实验方法确定。根据TayIor锥临界电压方程：Vc =4HZ／LZ(1n21／R一3／2)(0．1 1 7 yR)式中Vc：lt'~界电压； H：纺丝距离；L：毛细管长度； R：毛细管半径；y：纺丝溶液的表面张力通常实际应用中的电压比理论值高。静电纺丝时，随着电压增大，电场强度增加，射流静电应力增大，纤维直径减小。若纺丝中出现一些非纤维成分，如液滴或珠状纤维，可以增大电压以消除。

2．4 纺丝压力

纺丝前，为使喷丝头端部形成稳定的液滴须对溶液施加适当的压力，然后接通电源进行纺丝。纺丝溶液浓度大，粘度大，则所施加的压力也就增大同时纺丝过程中必须维持恒定的压力，才能使纺丝液不断地能过喷丝头，形成连续的丝束。

2．5 电流

在其他条件不变的情况下，纺丝中电流的大小反映了射流量的多少，即成纤量的大小。静电纺丝中电流的形成是由于纤维携带电荷从毛细孔到接收屏，形成回路。Deitzel J In等测试的数据，在PEO／H20体系中电流随着施加电压的增大而增加，如电压从5．5KV增加到1 1KV，电流从10nA增加到490nA

3静电纺丝的应用

静电纺丝技术生产纳米纤维最便捷的技术，静电纺丝技术生产的超细纤维织品，具有比表面大，孔隙率高，纤维径细、质轻、形貌均一等优点。静电纺丝还可将两种或两种以上的材料以不【科技】同的方式复合到同根纤维中，使得纤维在纳米级别的基础上又添加了多种新的功能。

3．1生物科技

a． 静电纺制得的纳米纤维是一种优良的药物载体。将药物和承载材料混合进行电纺，得到的含有药物的超微米以至纳米级颗粒或纤维，使得药物表面积大大增加，从而大大提升药物在人体中分解和吸收的速度。若将承载材料电纺成管状把药物颗粒封装在内，也可控制药物释放的速度。Zheng—Ming Huang等用同轴双喷丝头技术生产了以聚己内酯(PCL)为外层材料，抗氧化剂白藜芦醇(Resevratrol，RT)和抗生素硫酸庆大霉素(Gentamycin Sulfate，GS)作为内芯的超细双层纤维。用PBS溶液对纤维进行的释放实验结果显示，药物从纤维中的释放是持久而连续的，并不出现突释现象。由于静电纺处理后的药物不会因突释造成对人体的危害，因此可以用于肿瘤手术后的局部化疗中。

b．静电纺丝还可以生产护理创口的被覆材料f图2 o静电纺制的纤维轻薄柔软且布满纳米孔隙，能与创面充分弥合。既减轻自办环境对创面组织的，保护创口，又可避免创口出现感染。经过处理的创口，往往愈合良好，不留疤痕。治疗时，只需在电场中将纳米纤维直接喷洒到创面，即可形成稳定而有效的保护层

c． 将添加成分电纺到纤维中，制成的化妆面膜，可将添加成分稳定地传递给人体，利于吸收。如在面膜中加人某些药物制成面膜，还可对皮肤进行护理和治疗。

3．2组织工程

在一定条件下静电纺丝技术制得的纤维无纺布产品，可得与天然胞外基质(ECM)完全相同   的结构和生物性能作为理想的组织工程支架，使得细胞能够附着在纤维上生长和繁殖。目前国内外多家研究机构都在此方面取得很好的成效。L．Buttafoco等用静电纺丝将胶原质和弹力素制成网状，并且对1：1的胶原质／弹力素进行了交联稳定，经过14个小时的培养，栽种的平滑肌细胞在上面生长良好，并且汇集到一起形成了细胞层。新加坡国立大学的Zuwei Ma等先用静电纺丝法制得了有序排布的纳米纤维，然后通过接枝改性，先在纤维上引入羧基，然后共价接入明胶分子。将内皮细胞种植在经过表面改性的PCL纳米纤维支架上进行培养，结果显示细胞沿着纤维走向出现了明显的生长分布，也就是说，支架能够控制细胞生长方向。

3．3 过滤材料

静电纺丝技术制得的超细纤维织品比表面积大，孑L隙率高，加工中还可带静电等特点使得纤维对于微细粒子有极强的吸附能力。因此，静电纺丝用少量的材料就能实现极高的过滤效率，同时纤维还有良好的细菌隔离能力和空气通透率。由静电纺丝纳米纤维制成的过滤材料不但能过滤空气中的固体颗粒，还可过滤液体中的油滴。Kyunghwan Yoon等制成了一个三层的过滤膜，底层是多元聚酯无纺布制成的承载层，中层是滤膜的主要作用部分，由聚丙烯腈纺丝而成，上层是厚约1 in的壳聚糖覆盖层，该滤膜过滤含油污水的效能可以达~J99％ 以上。静电纺丝纳米纤维在采矿，治金，原子能等无菌和高精密度工业中作高效滤材及除尘材料。

3．4其他方面的应用

静电纺纤维还可用在增强复合材料、高分子模板、防护物、催化剂载体、纳米电子元件、电学和光学 叫专感器)、航天器材等多个领域。例如，Xianvan Wang等人用PAA—PM的电纺纤维，经过热力学交联后，制成了荧光猝灭性光学传感器，可用于检测金属离子和DNT成分。美国国家航空航天局(NASA)Pawlowski K等，利用电致伸缩共聚物TrFI(一种含三氟乙烯的共聚物)进行电纺丝，制作飞行器涂层，获得了初步成功。