静电纺丝纳米纤维膜的发展概况

摘要：静电纺丝,简称电纺(英语：electrospinning)，使用电荷从液体中抽极细（一般在微米或纳米大小）纤维的工程过程。静电纺丝不需要化学混凝或者高温来从液体里生产固体纤维，这使得这个过程特别宜于用来生产大分子或者复合分子的纤维。静电纺丝也可以被用来从熔化液里抽取纤维，这样获得的最终产品中没有溶剂的痕迹。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，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。为了研究静电纺丝的研究方向与发展现状，本文综述了静电纺丝纳米纤维膜的一些应用领域，包括过滤、纺织、医学和催化等，并展望了未来潜在的发展方向。

关键词：静电纺丝；纳米纤维；无纺布；电喷射流；聚合物溶液

引言

静电纺丝过程的第一步，将聚合物溶液放入注射器中，然后通过外部泵推送到喷丝头。注射器可以垂直和水平取向（我们在实验室中大多采用水平静电纺丝法）。聚合物溶液的浓度一般相当高，主要原因是因为纺丝溶液必须表现出良好的粘弹性，所以溶液中大分子之间必须形成的足够量的缠结。当在喷丝头处形成悬垂液滴时，将电压（约10-30kV）施加在尖端与收集器之间，距离数厘米至几十厘米。随着施加的电压逐渐增加，液滴根据形成顶点（泰勒锥）而伸长，最后库仑斥力克服表面张力并产生射流。与此同时溶剂迅速从射流中蒸发，固体纳米纤维最终沉积在接收器上，如图1所示。

图1 静电纺丝的装置示意图

近年来，纳米尺度材料的独特性质的研究日益受到重视，吸引了全世界科技工作者的广泛关注。纵览已发表的相关文章,研究的内容主要有新材料用静电纺丝法的制备，不同微观纳米结构的材料的制备，有序排列的纳米纤维的制备，由于传统静电纺丝得到的纤维是随机排列的无纺布,阻碍了其在某些领域的应用,因此一些制备有序排列的纳米纤维的方法应运而生。此外,还有人致力于研究如何提供一个普遍接受的数学模型来定量地分析和解释静电纺丝。任何材料制备的最终目的都是实际应用,以解决人类生活生产中遇到的问题，静电纺丝研究领域已经从形貌的控制发展到应用开发,科研人员尝试了各种可能的应用领域,并取得了瞩目的成果。本文综述了静电纺丝纳米纤维膜在各个领域的应用进展。

1研究历史

16世纪末William Gilbert[1]开始描述静电和磁铁的现象。他观察到假如一块带电的琥珀被放到一滴水附近的时候水滴会改变它的形状，变成圆锥形，从圆锥的尖端小水滴会射出。这是最早对静电喷射的观察。1887年C.V.Boys[2]描写了“古老但是鲜为人知的静电纺丝的试验”。他的设备由一个“隔绝，与一个电机相连的小盘子”组成^[。他发现当液体到达盘子的边缘时他可以获得虫胶、蜂蜡、封蜡、牙胶和火棉胶等一系列物质的纤。1900年5月J·F·Cooley[3]获得了静电纺丝的专利。1902年2月他再次获得一项有关的专利[4]。1902年7月W.J.Morton[5]也获得了一项专利。1914年John Zeleny[6]发表了一篇关于液滴在金属毛细管末端的反应的论文。他的论文是液体在静电影响下的反应的数学模型的开始。从1934年[7]到1944年[8]Anton Formhals获得了一系列使用静电纺丝获得衣料线的专利，把静电纺丝进一步推向商业使用。C.L.Norton[9]在1936年获得了使用熔液静电纺丝的专利。他还使用气流协助纤维的形成。1938年在苏联卡尔波夫研究所的气溶胶实验室里Nikolai A. Fuchs 组里的Nathalie D. Rozenblum 和Igor V. Petryanov-Sokolov [10]生产了静电纺丝纤维，他们把它用在他们研制的过滤器里。这个工作导致1939年在特维尔建立了生产含有静电纺丝纤维的防毒面具的工厂。其纤维使用溶于二氯乙烷和乙醇中的醋酸纤维素纺成。1960年代里通过静电纺丝生产的过滤材料达每年2000万平方米[11]。1964年至1969年间Geoffrey Ingram Taylor[12][13][14]为静电纺丝建立了理论基础。他提供了液滴在电场中的形成的圆锥的数学模型，因此这个圆锥今天叫泰勒锥。他还和其他人[15]一起建立了导电液体的模型。1990年代初多个研究组[16]显示有机聚合体可以通过静电纺丝成为纳米纤维。从此每年关于静电纺丝的论文数目不断增高。1995年以来又有对静电纺丝的基本原理的理论发展。Reznik 等[17]描述了泰勒锥的形状和液体的射出。Hohman 等[18]研究了射出的液流不同的不稳定性并描述了其中最重要的不稳定性，摆动不稳定性。