“令人著迷的纖維成型技術”
——靜電紡絲
靜電紡絲是一種廣泛運用于纖維制備的技術，制備的纖維直徑可達幾微米甚至幾納米。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、孔隙可控的特點以及出色的機械性能，靜電紡絲逐漸成為納米纖維制造最普遍的方法之一。
靜電紡絲技術被廣泛知曉的時間并不久，但其歷史最早可以追溯到1887年Charles V. Boys在報告中提到在外部電場的作用下從粘性溶液中得到了“最好的線”。
20世紀90年代以來，由于納米技術的開發利用，靜電紡絲技術也隨之興起，取得了爆炸性的發展。
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靜電紡絲裝置組成簡單，由高壓電源、推進泵、注射器、針頭和收集器組成，在電紡時高壓電源正極連接針頭，負極連接收集器接地。靜電紡絲時，溶液或熔體液滴由注射器和推進泵推進從針頭擠出，在高壓下帶上電荷，進而被拉伸成纖維，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帶上電荷，形成與表面張力相反的靜電斥力。當電場強度突破臨界值，液滴形成的毛細細絲被拉伸形成錐形，即“泰勒錐”。泰勒錐的底部會形成細小的射流，由于彎曲不穩定性，射流在沿直線運動一小段距離后進行劇烈的鞭撻運動，伴隨著溶劑的揮發，射流形成極細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
（1）分子量
當聚合物分子量過低時，射流拉伸流動存在阻力，靜電紡出的納米纖維易形成串珠結構，當分子量達到適宜范圍時才會趨于穩定，形成均勻的納米纖維；而當分子量過高時，纖維直徑與纖維間隔進一步增大，且纖維橫截面形狀逐漸由圓形變為扁平形。
（2）濃度
與分子量一樣，靜電紡絲時溶液濃度也有一個最佳范圍。在較低濃度時，容易得到珠狀纖維。隨著濃度的增大，珠狀纖維逐漸變為紡錘形，直至變為均勻的納米纖維。當濃度進一步增大，纖維直徑也會隨著相應增大。超出靜電紡絲溶液濃度最佳范圍時將無法得到連續的纖維，因為溶液難以保持在針尖的連續流動。
（3）電壓
在靜電紡絲時，外加電壓是一個重要的工藝參數。只有當電壓超過臨界值時，液滴才能被拉伸成為纖維。當電壓較低時，纖維易出現珠狀缺陷。
串珠缺陷
正常纖維
（4）進給速率
聚合物溶液的進給速率（或稱流速）也對納米纖維的形態有著影響。當進給速率過低時，流入針頭的溶液來不及跟上被噴射出去的射流，難以形成連續的纖維。而當流速過大時，噴射出去的射流來不及干燥就落到收集器上，容易導致珠狀缺陷或帶狀纖維的形成。
（5）收集距離
靜電紡絲另一個控制納米纖維形態的重要參數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重要物理參數，在射流到達收集器前，需要有足夠的距離讓溶劑揮發，否則就容易形成珠狀缺陷或者形成帶狀纖維。
（6）針頭設置
在傳統的靜電紡絲設備中通常采用簡單的中空針頭。隨著多聚合物靜電紡絲技術的發展，出現了復合型的針頭，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的纖維，例如Zhao等人通過設計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
傳統的器官衰竭或組織損傷往往需要依靠器官或者移植來達到治愈目的，在這個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、可控的機械性能和類似天然細胞外基質的特點，被認為是優秀的組織工程材料。目前電紡納米纖維已經在皮膚、血管、心臟、神經、骨組織等組織工程領域得到了研究及應用。
2. 傷口敷料
由于具有較大的表面積、較好的機械強度以及類似天然細胞外基質等特點，靜電紡絲納米纖維在傷口愈合方面顯示出巨大的應用潛力。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，在抑菌的同時促進細胞的生長。
3. 藥物輸送
在許多情況下，藥物不能直接進入人體而需要定向輸送至患病區域以防傷害正常細胞，靜電紡絲為藥物的輸送提供了一種簡易方便的思路。將治療藥物均勻封裝到納米纖維中，再定向運輸至目標區域釋放，在這個過程中對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計性被認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，可以作為過濾膜應用于各個領域，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取得了顯著的發展，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的出現以及聚合物-聚合物混合物、聚合物-鹽混合物、聚合物-金屬有機框架混合物等新材料被用于靜電紡絲，表明靜電紡絲技術未來仍將是發展前景廣闊的領域。但仍然有許多問題不可忽視。首先是靜電紡絲技術在聚合物領域發展充分，但在非聚合物領域探索極少，未來可以考慮擴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用仍然停留在實驗室試驗階段，例如靜電紡納米纖維在藥物輸送上的應用仍然未能真正投入使用，在靜電紡納米纖維的進一步改善和優化上仍然有很長的路要走。此外也不得不提到靜電紡絲技術一直沒能真正實現產業化，距離量產和大規模應用仍有許多難關需要攻克。
毫無疑問，靜電紡絲技術為納米纖維在各領域的應用提供了很有前途的辦法，同時在很多方面有很長的路要走，相信未來靜電紡絲納米纖維材料會在各個領域取得前所未有的突破。
來源：高分子物理學
