静电纺丝技术是一种高效、可控的纳米纤维制备方法，已在多个领域展现巨大潜力。本文介绍了静电纺丝技术的原理、分类、影响因素、应用及发展趋势。

一、引言

       静电纺丝技术作为一种有效的纳米纤维制备方法，自20世纪90年代以来得到了广泛关注。该技术利用静电场力将高分子溶液或熔体拉伸成纳米级的纤维，具有操作简便、成本低廉、可批量生产等优点。静电纺丝技术在生物医学、材料科学、化学工程等领域具有广泛的应用前景。本文将从静电纺丝技术的原理、分类、影响因素、应用及发展趋势等方面进行综述。

二、静电纺丝技术原理

       静电纺丝技术是基于库仑定律的一种制备纳米纤维的方法。其基本原理是将高分子溶液或熔体置于静电场中，通过静电力使溶液或熔体表面产生电荷，进而在溶液或熔体表面形成电荷，溶液或熔体表面的高分子链受到静电力的作用，开始从溶液或熔体中拔出并拉伸成纤维。随着静电场的持续作用，纤维不断被拉伸并最终固化，形成纳米纤维。具体来说，当聚合物溶液或熔体受到电场作用时，电荷会分布在细流的表面，形成电场力。在电场力的作用下，细流被拉伸成锥形，称为泰勒锥，随着电场力的不断增加，电荷密度达到一定程度时细流逐渐被拉长并分裂成许多小的纤维。当聚合物溶液或熔体完全固化后，这些纤维会沉积在收集器上，形成纤维网或薄膜。

静电纺丝技术可以制造出直径范围广泛的纤维，从纳米级到微米级不等。此外，静电纺丝技术可以连续生产，具有较高的生产效率和较低的成本。另外，通过改变聚合物溶液或熔体的性质、电场参数等条件，可以灵活地调整纤维的形态和性能。

三、静电纺丝技术分类

      根据不同的分类标准，静电纺丝技术可以分为多种类型。按照聚合物溶液或熔体的性质，静电纺丝技术可以分为均质溶液纺丝和非均质溶液纺丝。均质溶液纺丝是指使用均匀的聚合物溶液进行纺丝，而非均质溶液纺丝则是指使用含有不同浓度、不同粘度或不同聚合物的溶液进行纺丝。

       按照静电场的形状，静电纺丝技术可以分为平板式、圆筒式和圆锥式。平板式纺丝是指聚合物溶液或熔体在平行平板电极间形成射流并进行纺丝；圆筒式纺丝是指聚合物溶液或熔体在旋转的圆筒电极间形成射流并进行纺丝；圆锥式纺丝是指聚合物溶液或熔体在向下倾斜的圆锥电极间形成射流并进行纺丝。

       根据电纺时纺丝液体系是溶液状态还是熔融状态，可以分为溶液静电纺和熔融静电纺。溶液静电纺丝指聚合物材料和相应的有机溶剂经过混合配制作为前驱体溶液，进而进行静电纺丝。溶液静电纺丝的优点有：其装置构成比较简单；可静电纺丝的材料种类多，目前已有近百种聚合物材料可用于溶液静电纺丝；纤维直径小且均匀。尽管溶液静电纺丝技术有许多优点，它也存在着一些局限性，比如溶液静电纺丝的溶液需要的有机溶剂往往具有毒性和挥发性，这需要在制备纤维时考虑环境问题和溶剂回收成本问题，而且溶液静电纺丝纤维也会残留溶剂，这在安全性要求较高的场合存在着限制。

       熔体静电纺丝是将聚合物加热至熔融状态进行纺丝，此过程中不使用溶剂。熔体静电纺丝装置主要有：加热系统、进料系统、高压静电发生装置、耐高温的料筒和纺丝喷口等五部分组成。与溶液静电纺丝相比，熔体静电纺丝不需要溶剂，所以在制备纤维过程中无需考虑回收或者去除有毒有机溶剂的问题，而且可以低成本高效率制备纤维；另外，由于熔体静电纺丝需要将聚合物加热，所以在室温下无适合溶剂的聚合物也可以采用熔体静电纺丝技术加工。熔体静电纺丝的出现虽然一定程度上弥补了溶液静电纺丝的缺点，但是其本身也出现了新的缺点，比如聚合物的熔体粘度高、导电性差；装置复杂，需要加热装置，容易和高压装置发生静电干扰；所制备的纤维大，多在微米级别。

四、静电纺丝技术的优点

      1. 纤维直径可控：通过调节纺丝参数，如电压、流速、接收距离和聚合物性质等手段实现对纤维的形貌、直径和孔径等的调控，从而实现对材料的性能的精细调控。纤维的直径，从纳米级别到微米级别，甚至更小。这种超细纤维具有很大的表面积，能够提高材料的吸附、催化和传递等性能。

      2. 纤维形态多样：静电纺丝技术可制备出多种形态的纤维，如无序纤维网络、有序排列的纤维束、纳米纤维、复合纤维、杂化纤维等。

      3. 高分子材料适用范围广：静电纺丝技术适用于多种类型的聚合物、天然纤维和无机材料，可以根据应用的需求选择合适的材料进行纺丝。另外，对于含有一些不易处理的杂质的材料，静电纺丝技术也可以通过适当的处理获得良好的纺丝效果。同时，还可以通过掺杂功能材料或复合材料等方法赋予纤维新功能，如导电、荧光、抗菌等。

      4. 环境友好：静电纺丝技术的设备和操作都相对简单，制备过程易于控制。同时，该技术不需要大量的化学剂和溶剂，减少了对环境的污染，有利于实现绿色化学和可持续发展。

      5. 成本较低：静电纺丝设备简单，操作方便，相较于其他纳米纤维制备方法，成本较低。虽然静电纺丝技术的生产效率相对较低，但是随着技术的不断进步和改进，可以通过提高产量和自动化程度等方式实现大规模生产。同时，静电纺丝技术还可以与其他制造工艺相结合，以获得更好的生产效率和产品质量。

五、静电纺丝技术的缺点

      1. 纤维收集困难：静电纺丝过程中，纤维容易在收集器上粘附，导致收集困难。对于一些高粘度聚合物，静电纺丝过程中容易出现喷丝不连续或断丝等现象，影响纤维的连续性和均匀性。

      2. 纤维均匀性较差：由于静电纺丝过程中纤维的喷射受到许多因素的影响，如电场强度、溶液浓度和环境条件等，因此制备出的纤维直径分布较广，不利于获得均匀的纤维材料。静电纺丝中有三种不稳定性，第一种是黏性不稳定性，主要是毛细力与黏性力的作用引起的。另外两种不稳定性是电的本质引起的其一为轴对称的曲张不稳定性，即因表而电荷密度在切向电场中受到的力而引起，这种力与粘度协调作用引起丝的轴对称形变和流动；其二为非轴对称的弯曲不稳定性，即流体的偶极和电荷发生涨落，在电场中轴的法向上受力产生弯曲。静电纺射流可能表现出某一种或多种不同的不稳定性模式，取决于射流速度、半径和表面电荷密度等基本参数。例如静电纺丝技术制备的纤维膜通常较薄，且存在孔径分布不均、结构不稳定等问题，需要进一步改进和完善。

      3. 纤维强度较低：静电纺丝制备的纤维强度一般较低，限制了其在某些领域的应用。

      4. 对环境条件敏感：静电纺丝过程中，环境条件（如温度、湿度、风速等）对纤维的形成和收集有一定影响。同时对于一些高性能聚合物，静电纺丝技术的加工温度较高，可能导致聚合物降解或产生有害气体。

      5.对原料要求高：静电纺丝技术需要使用高分子聚合物作为原料，对于一些低分子量或易分解的聚合物，需要进行改性或纯化等预处理，增加了制备过程的复杂性和成本。

六、静电纺丝技术影响因素

      静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多，这些因素可分为溶液性质，如粘度、弹性、电导率和表面张力；控制变量，如毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之问的距离；环境参数，如溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。其中主要影响因素包括：

      1. 溶液或熔体性质：高分子浓度、溶剂类型、粘度等参数对静电纺丝过程和纤维形貌有重要影响。聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱。通常在其它条件恒定时，随着浓度增加，纤维直径增大。

      2. 静电场参数：电压、电流、电场强度等参数对纤维的拉伸和形貌具有关键作用。随电场强度增大，高分子静电纺丝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，导致有更高的拉伸应变速率，有利于制得更细的纤维。

高压尖端纺丝

3. 环境条件：温度、湿度、气流等环境因素对静电纺丝过程和纤维性能有一定影响。

       4. 设备参数：喷头形状、收集距离、纺丝时间等设备参数对纤维形貌和产量有重要影响。当使用固定收集器时，纳米纤维呈现随机不规则情形；当使用旋转盘收集器时，纳米纤维呈现平行规则排列。因此，不同设备条件所生成的纤维网膜不同。

七、静电纺丝技术应用

      静电纺丝技术在多个领域具有广泛的应用，以下列举了一些典型应用案例：

      1. 生物医学领域：静电纺丝技术在生物医学领域有广泛的应用，主要涉及组织工程、药物释放、伤口敷料和酶固定化等方面。

       在组织工程领域，静电纺丝技术被用于制备细胞导向的支架。这些支架为细胞提供支持，使因疾病、损伤或先天性缺陷而破坏的细胞外基质得以再生，同时不会刺激任何免疫反应。支架需要满足生物相容性和生物降解性，以随着时间的推移而降解，并被新的再生组织取代。静电纺丝技术能形成满足天然细胞外基质仿生物理尺寸（纳米尺寸的几何形态）的不同生物材料的非织造膜。此外，该技术还能模拟细胞外基质，促进细胞增殖和分化。

生物医药静电纺丝设备

在药物释放领域，静电纺丝技术用于制备药物载体。药物在人体内溶解速度快则吸收快，而药物、载体的表面积则影响固体药物的溶解速度，通过设计将药物和纳米纤维复合，可控制药物在人体内的立即释放、缓和释放、延迟释放。由于电纺纤维毡的表面积增加，与铸型薄膜相比，提供了增加药物释放的优势。此外，静电纺丝技术还可用于制备高品质的生物医学材料，如人造血管、人造心脏瓣膜、人造骨等。

       2. 复合高性能材料科学领域：静电纺丝技术制备的纳米纤维材料具有优异的力学性能、热稳定性、电学性能等，可用于航空航天、汽车制造、电子器件等领域。静电纺丝技术在材料科学领域的应用十分广泛，主要有以下几个方面：静电纺丝技术可以将高分子材料或无机材料制备成纳米级别的纤维或纳米片，这些纳米材料具有大比表面积和较好的机械性能、生物活性和光学性能等。通过改变材料成分和处理参数，可以获得不同直径、形态和化学成分的纳米材料，具有很大的操控性。尽管纳米纤维的含量低，却使复合材料的强度和硬度显著提高。压层材料常出现层脱现象，在其薄膜间添加纳米纤维，压层材料重量和层间距离几乎不变，层间韧性却显著提高。

      纳米滤膜的制备：静电纺丝技术可以制备出纳米级别的滤膜，具有阻隔高渗透悬浮粒子的性能，用于固体颗粒、液滴、微生物等的过滤，更高效地去除污染物和获得更纯净的样品。静电纺丝技术制备的纳米滤膜具有小孔径、高孔隙率和高通量的优点，广泛应用于水、空气和油品等领域。纳米纤维复合制品可大大提高过滤效率。作为气相、液态的过滤或分离介质，可在制药、实验室、医院、食品、化学及化妆品工业中使用，也可用于制作防化服或生物战地服装。纳米面料的制备：静电纺丝技术可以制备出具有纳米级别结构的织物材料，具有抗菌、防水、防紫外线等特性。这种材料可以用于制备运动服、户外装备等产品，具有很高的应用价值。

      电子器件的制备：静电纺丝技术可以制备出纳米级别的电子器件，如传感器、太阳能电池和超级电容器等。导电纳米纤维中特殊排列的高分子聚集体被称为晶体缺陷，它使纳米纤维内高分子本身具有传输和转动功能。以纳米纤维为载体能将纳米器件排布起来，互相连接成大规模集成电路。由于化学反应速率与电极表面积成正比，因此大表面积导电纳米纤维膜非常适用于制造高性能电池和多孔电极。这些电子器件具有较高的能量密度、较好的导电性和机械性能等特性，在纳米电子器件、传感器、能源存储等领域具有巨大潜力。

      3. 化学催化剂领域：静电纺丝技术制备的纳米纤维具有高比表面积、优异的催化性能等，可用于环境保护、能源转换等领域。静电纺丝技术在催化剂领域的应用主要体现在两个方面：光催化载体和电极催化剂载体。

      光催化载体利用半导体的光催化性能，在室温下能够将空气或水中的有机污染物完全降解为二氧化碳、无机酸及水。静电纺纤维上负载金属氧化物颗粒，得到新型光催化材料，可操作性和催化效率都优于传统的催化剂。

     而电极催化剂载体在燃料电池领域中应用广泛，因为燃料电池需要用合适的电极催化材料进一步降低电极反应的活化能，提高反应效率。高度分散的金属微粒（如Pt、Pd等）有很强的催化活性，而静电纺丝制备的纳米纤维具备比表面积高、孔结构稳定等特点，能够有效提高燃料电池的使用性能和催化粒子利用率，成为电极催化剂的优良载体。

     此外，有研究通过同轴电纺技术制备出双组分纳米纤维催化材料，一边具有俘获电子的功能，另一边具有供电子的功能，从而提高材料的催化活性。

       4. 分析化学领域：

      静电纺丝技术在分析化学领域的应用主要体现在以下几个方面：

     化学传感器：静电纺丝技术制备的纳米纤维具有高比表面积、高灵敏度和快速响应等特点，适用于制备化学传感器。通过在纳米纤维中掺杂特定元素或修饰功能性分子，可对特定气体、离子或小分子进  行高灵敏度检测。

     分离富集：静电纺丝技术可制备出具有优异吸附性能的纳米纤维，用于分离富集痕量组分。通过在纳米纤维中引入亲和性基团，可实现对目标离子的选择性吸附和富集，为后续分析提供高质量的样品。

     色谱填料：静电纺丝技术制备的纳米纤维可应用于色谱填料，以提高色谱柱的分离效能和载样量。通过改变纤维的孔径和表面性质，可实现不同类型化合物的分离。

    生物成像：静电纺丝技术制备的纳米纤维可应用于生物成像。通过将荧光物质或量子点等发光材料掺杂到纳米纤维中，可制备出具有高荧光性能的纤维，用于生物成像和示踪研究。

    总之，静电纺丝技术在分析化学领域的应用十分广泛，为痕量分析、分离技术、生物成像等领域提供了新的工具和方法。

八、静电纺丝技术发展趋势

       静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的常用方法，在未来仍将具有广阔的发展前景和趋势。以下是一些可能的发展趋势：

       拓展应用领域：静电纺丝技术的应用领域不断拓展，从最初的医疗、纺织领域逐渐扩展到能源、环保、催化等领域。未来，静电纺丝技术有望在更多领域得到应用，例如传感器、光伏电池等。

       新型纤维材料的研发：随着新型纤维材料的需求不断增加，静电纺丝技术有望成为制备这些材料的重要手段。例如，通过静电纺丝技术制备高导电性、高强度、高耐热性的纤维材料，以满足不同领域的需求。

       设备自动化和智能化：静电纺丝技术的设备简单、操作方便，但是随着生产规模的扩大和性能要求的提高，设备的自动化和智能化程度将成为关键。未来，静电纺丝设备有望实现自动化控制、智能化操作和高效生产。

       纳米纤维的复合化：单一材料的纳米纤维已经不能满足某些领域的需求，因此纳米纤维的复合化成为未来的发展趋势。通过静电纺丝技术将不同材料复合在一起，可以得到具有优异性能的复合纤维材料。

       绿色环保：随着环保意识的提高，静电纺丝技术的绿色环保性也受到了关注。未来，静电纺丝技术有望实现低能耗、低污染、低排放的生产方式，同时加强废弃物的回收和再利用。

总之，静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的常用方法，在未来仍将具有广阔的发展前景和趋势。随着技术的不断进步静电纺丝技术有望在更多领域发挥作用。

九、总结

       随着科技的不断进步和应用需求的不断提高，静电纺丝技术有望在未来实现更大的突破和创新。未来发展的方向包括优化静电纺丝工艺参数和设备设计，提高纤维的形貌和性能的稳定性；研究新的聚合物材料和功能化方法，拓展其在新能源、智能传感器等领域的应用；结合其他先进技术手段如3D打印等，实现静电纺丝技术的个性化定制和智能化生产。同时，加强基础研究，深入了解静电纺丝过程中纤维形成的机制和规律，为技术的进一步发展和应用提供理论支持。