“令人著迷的纖維成型技術(shù)”
——靜電紡絲
靜電紡絲是一種廣泛運(yùn)用于纖維制備的技術(shù)，制備的纖維直徑可達(dá)幾微米甚至幾納米。由于靜電紡絲制備的納米纖維具有高縱橫比、大特異性表面積、孔隙可控的特點(diǎn)以及出色的機(jī)械性能，靜電紡絲逐漸成為納米纖維制造最普遍的方法之一。
靜電紡絲技術(shù)被廣泛知曉的時(shí)間并不久，但其歷史最早可以追溯到1887年Charles V. Boys在報(bào)告中提到在外部電場(chǎng)的作用下從粘性溶液中得到了“最好的線”。
20世紀(jì)90年代以來，由于納米技術(shù)的開發(fā)利用，靜電紡絲技術(shù)也隨之興起，取得了爆炸性的發(fā)展。
Scopus中“Electrospinning”的論文數(shù)量
靜電紡絲裝置組成簡(jiǎn)單，由高壓電源、推進(jìn)泵、注射器、針頭和收集器組成，在電紡時(shí)高壓電源正極連接針頭，負(fù)極連接收集器接地。靜電紡絲時(shí)，溶液或熔體液滴由注射器和推進(jìn)泵推進(jìn)從針頭擠出，在高壓下帶上電荷，進(jìn)而被拉伸成纖維，由收集器收集。
具體原理為：在高壓電的作用下，聚合物溶液或熔體表面會(huì)帶上電荷，形成與表面張力相反的靜電斥力。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度突破臨界值，液滴形成的毛細(xì)細(xì)絲被拉伸形成錐形，即“泰勒錐”。泰勒錐的底部會(huì)形成細(xì)小的射流，由于彎曲不穩(wěn)定性，射流在沿直線運(yùn)動(dòng)一小段距離后進(jìn)行劇烈的鞭撻運(yùn)動(dòng)，伴隨著溶劑的揮發(fā)，射流形成極細(xì)的纖維沉積到收集器的表面。
靜電紡絲與泰勒錐
三、靜電紡絲影響參數(shù)
（1）分子量
當(dāng)聚合物分子量過低時(shí)，射流拉伸流動(dòng)存在阻力，靜電紡出的納米纖維易形成串珠結(jié)構(gòu)，當(dāng)分子量達(dá)到適宜范圍時(shí)才會(huì)趨于穩(wěn)定，形成均勻的納米纖維；而當(dāng)分子量過高時(shí)，纖維直徑與纖維間隔進(jìn)一步增大，且纖維橫截面形狀逐漸由圓形變?yōu)楸馄叫巍?/span>
（2）濃度
與分子量一樣，靜電紡絲時(shí)溶液濃度也有一個(gè)最佳范圍。在較低濃度時(shí)，容易得到珠狀纖維。隨著濃度的增大，珠狀纖維逐漸變?yōu)榧忓N形，直至變?yōu)榫鶆虻募{米纖維。當(dāng)濃度進(jìn)一步增大，纖維直徑也會(huì)隨著相應(yīng)增大。超出靜電紡絲溶液濃度最佳范圍時(shí)將無法得到連續(xù)的纖維，因?yàn)槿芤弘y以保持在針尖的連續(xù)流動(dòng)。
（3）電壓
在靜電紡絲時(shí)，外加電壓是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。只有當(dāng)電壓超過臨界值時(shí)，液滴才能被拉伸成為纖維。當(dāng)電壓較低時(shí)，纖維易出現(xiàn)珠狀缺陷。
串珠缺陷
正常纖維
（4）進(jìn)給速率
聚合物溶液的進(jìn)給速率（或稱流速）也對(duì)納米纖維的形態(tài)有著影響。當(dāng)進(jìn)給速率過低時(shí)，流入針頭的溶液來不及跟上被噴射出去的射流，難以形成連續(xù)的纖維。而當(dāng)流速過大時(shí)，噴射出去的射流來不及干燥就落到收集器上，容易導(dǎo)致珠狀缺陷或帶狀纖維的形成。
（5）收集距離
靜電紡絲另一個(gè)控制納米纖維形態(tài)的重要參數(shù)是針頭到收集器之間的距離。纖維干燥程度是靜電紡絲的一個(gè)重要物理參數(shù)，在射流到達(dá)收集器前，需要有足夠的距離讓溶劑揮發(fā)，否則就容易形成珠狀缺陷或者形成帶狀纖維。
（6）針頭設(shè)置
在傳統(tǒng)的靜電紡絲設(shè)備中通常采用簡(jiǎn)單的中空針頭。隨著多聚合物靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了復(fù)合型的針頭，包括同軸組合針頭和其他類型的組合針頭。組合型針頭能夠紡出不同形態(tài)的纖維，例如Zhao等人通過設(shè)計(jì)三流體針頭靜電紡絲得到了螺旋槽/中空納米纖維。
三流體針頭獲得螺旋槽/中空纖維
1.組織工程
傳統(tǒng)的器官衰竭或組織損傷往往需要依靠器官或者移植來達(dá)到治愈目的，在這個(gè)過程中有許多的局限性。而靜電紡絲納米纖維由于其良好的生物相容性、可控的機(jī)械性能和類似天然細(xì)胞外基質(zhì)的特點(diǎn)，被認(rèn)為是優(yōu)秀的組織工程材料。目前電紡納米纖維已經(jīng)在皮膚、血管、心臟、神經(jīng)、骨組織等組織工程領(lǐng)域得到了研究及應(yīng)用。
2. 傷口敷料
由于具有較大的表面積、較好的機(jī)械強(qiáng)度以及類似天然細(xì)胞外基質(zhì)等特點(diǎn)，靜電紡絲納米纖維在傷口愈合方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。作為傷口愈合材料，電紡納米纖維膜不僅具有很好的防水透氣性，還要而已攜帶藥物，在抑菌的同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)。
3. 藥物輸送
在許多情況下，藥物不能直接進(jìn)入人體而需要定向輸送至患病區(qū)域以防傷害正常細(xì)胞，靜電紡絲為藥物的輸送提供了一種簡(jiǎn)易方便的思路。將治療藥物均勻封裝到納米纖維中，再定向運(yùn)輸至目標(biāo)區(qū)域釋放，在這個(gè)過程中對(duì)納米纖維的性能與要求極高，而靜電紡絲的多功能性與可設(shè)計(jì)性被認(rèn)為是解決這一問題的極佳方法。
4.過濾
由于靜電紡絲納米纖維薄膜的比表面積大、孔隙度高，可以作為過濾膜應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，最為突出的是空氣凈化與水凈化，常被制成空氣顆粒物過濾器芯膜以及油水混合物分離膜。
五、靜電紡絲前景展望
近20年以來靜電紡絲技術(shù)取得了顯著的發(fā)展，尤其近年來同軸靜電紡絲、吹助靜電紡絲等新型靜電紡絲技術(shù)的出現(xiàn)以及聚合物-聚合物混合物、聚合物-鹽混合物、聚合物-金屬有機(jī)框架混合物等新材料被用于靜電紡絲，表明靜電紡絲技術(shù)未來仍將是發(fā)展前景廣闊的領(lǐng)域。但仍然有許多問題不可忽視。首先是靜電紡絲技術(shù)在聚合物領(lǐng)域發(fā)展充分，但在非聚合物領(lǐng)域探索極少，未來可以考慮擴(kuò)展靜電紡絲材料的廣度。其次是靜電紡絲納米纖維的許多應(yīng)用仍然停留在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，例如靜電紡納米纖維在藥物輸送上的應(yīng)用仍然未能真正投入使用，在靜電紡納米纖維的進(jìn)一步改善和優(yōu)化上仍然有很長(zhǎng)的路要走。此外也不得不提到靜電紡絲技術(shù)一直沒能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，距離量產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用仍有許多難關(guān)需要攻克。
毫無疑問，靜電紡絲技術(shù)為納米纖維在各領(lǐng)域的應(yīng)用提供了很有前途的辦法，同時(shí)在很多方面有很長(zhǎng)的路要走，相信未來靜電紡絲納米纖維材料會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域取得前所未有的突破。
來源：高分子物理學(xué)
