静电纺纳米纤维材料的发展现状与应用

青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071

传统纳米纤维主要指微米级(1.000～10.000 μm)纤维[1]，涉及神经纤维、超细纤维。而近几年逐渐发展的纳米纤维主要指亚微米级(0.100～1.000 μm)纤维[2]，涉及胶原蛋白原纤、静电纺纤维、熔喷纳米纤维、复合纺纳米纤维、碳纳米纤维等；还指纳米级(0.001～0.100 μm)纤维[3]，涉及细菌纤维素纤维、金属纳米线、碳纳米管纤维、静电纺纤维、复合纺纳米纤维等。纤维直径的细化是纤维材料发展的主要趋势之一。纤维经细化后具有直径小、孔隙率高、孔径小、比表面积大等优点[4]。静电纺丝设备是一种可以生产超细纳米纤维或微纳米纤维的设备。利用静电纺丝设备制得的纤维细长且表面光洁，并具有较大的比表面积[5-6]。目前，作为纳米纤维的基础，静电纺纤维已成为应用研究的热点。

1 静电纺纳米纤维的优势

静电纺纳米纤维属超细纳米纤维。超细纳米纤维的生产方法主要包括以下四种：

(1) 静电纺丝法。目前，静电纺纳米纤维在向产业化方向发展的同时，也逐渐在向功能化的方向发展。静电纺纳米纤维种类多样，主要包括静电纺皮芯结构纳米纤维、静电纺高力学性能聚丙烯腈纳米纤维、静电纺功能纤维、静电纺可降解纳米纤维等[7]。

(2) 熔喷法。熔喷法是目前最常规、使用最广泛的方法之一[8]。

(3) 溶液喷射法。该方法是静电纺丝法与熔喷法的集成，制备的纤维具有比静电纺丝法更细的直径和更高的效率[9-10]。

(4) 离心法。

其中，静电纺丝法作为目前最热门的生产方法之一，正在向量产化的方向发展。

静电纺纳米纤维优势明显，主要体现在可纺原料广泛、结构可调且形貌多样、纤维比表面积大等方面[11]。

1.1 可纺原料广泛

静电纺设备可纺原料分类及实例如表1所示。

表1 静电纺设备可纺原料分类及实例

1.2 结构可调且形貌多样

静电纺纳米纤维的单纤结构主要有带状、螺旋状、鞭炮状、谷粒状、核壳状、多孔状等，其聚集体结构主要有无规取向型、取向型、图案化型、二维纳米蛛网型等。

1.3 比表面积大

静电纺纳米纤维直径小、比表面积大，因此其表面能和活性大，故而会产生小尺寸效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应等，这将在物理、化学方面产生特异性[12]52-56。

2 纳米纤维静电纺丝加工技术发展历程

静电纺丝主要是利用电场的作用，将聚合物溶液或熔体从毛细管口处抽出形成射流，经摆动、蒸发、细化等过程，得到纳米级超细纤维的[13]。在静电纺丝装置中，喷头类型直接影响纤维的品质、产量等，故喷头在静电纺丝装备中属核心部件[14]。传统纳米纤维静电纺丝加工技术主要经历了传统单针头式、多针头式两代。表2列举了无针式静电纺丝技术发展历程。

表2 无针式静电纺丝技术发展历程

除表2介绍的之外，喷头的形式还在逐渐多样化，如出现了圆形饱和液面喷头、多层圆形饱和液面喷头、双圆环狭缝喷头、球形分离电场控制刷式喷头等。静电纺丝装置逐渐向简单化、高产化方向发展，且静电纺丝装置的更新换代使静电纺纳米纤维材料的应用领域得到逐渐扩大。

3 静电纺纳米纤维材料的应用领域

静电纺丝技术及其设备的多样化拓宽了静电纺纳米纤维材料的应用领域。静电纺纳米纤维材料的应用主要涉及医疗卫生、生物科技、交通运输、环境工程、纺织服装、能源、航天航空及其他工业领域[15]。下文就静电纺纳米纤维材料在一些主要领域的应用进行介绍。

3.1 环境工程

3.1.1 空气过滤材料

空气污染的逐渐加重会使得雾霾影响的范围逐渐扩大且持续时间逐渐延长。PM2.5不仅会严重影响环境和机械设备，带来内部灰尘、部件磨损等危害，还会进一步威胁到人体健康，如引发尘肺、心肌梗塞、血栓等[16]。

现有的商业化空气过滤材料用纤维主要包括熔喷纤维、玻璃纤维、静电纺纳米纤维等[17]。其中，熔喷纤维直径粗、孔径大且过滤效率低；玻璃纤维脆性大、性能不稳定；静电纺纳米纤维具有直径小、孔径小、孔隙率高等特点，在过滤材料领域具有极大的应用价值[18]。市场上常见的静电纺纳米纤维过滤材料制成品主要包括纳米口罩、纳米纤维复合滤纸、纳米纤维纱窗等。

3.1.2 水过滤材料

饮用水一旦被污染，其中会含有大量的污染物，如细菌、病毒、重金属、农药残留、杂质、泥沙、铁锈等，这会造成严重的危害，如引发多种疾病、影响工业生产、降低土壤质量等[19]。静电纺纳米纤维饮用水超滤材料具有亲水、厚度小、孔隙率高、通量高、便于清洗、能量消耗低等优势，利用其可有效避免饮用水污染造成的危害[20]。

3.1.3 油水分离材料

目前，频繁发生的漏油事故及工业废油的排放导致每年有3.2亿t的油污进入水体，造成严重的危害，如破坏生态环境、威胁人类健康、浪费石油资源等[21]。当前，常用的油污处理方法主要有吸油毡吸附法及油水乳液膜分离法，但这两种方法均存在吸附量小、分离精度低、使用耐久性差等问题。静电纺纳米纤维油水分离材料可以有效地解决这一问题。

3.2 防水透湿

目前，常用的防水透湿膜主要是Gore-tex的聚四氟乙烯(PTFE)双向拉伸膜，该膜透湿及防水性能优异，但存在技术垄断、价格昂贵、废弃后难以回收等缺点[22]。热塑性聚氨酯(TPU)亲水性膜虽具有一定的防水性，但存在透湿性差、遇水易变形、尺寸稳定性差等缺点。静电纺纳米纤维防水透湿膜具有防水透湿性好、成本低、尺寸稳定性好、废弃后易回收等优点。

3.3 轻质保暖

现有的天然纤维保暖材料如棉絮、羽绒等，虽具有保暖性好、天然无公害等优点，但存在易虫蛀、资源有限、吸湿易板结等缺点；合成纤维保暖材料虽具有防腐抗蛀、湿态保暖性好等优点，但易产生静电，舒适性较差[23]。另外，上述保暖材料均存在面密度大、回弹性差、保暖性能难以进一步提升等问题。由静电纺纳米纤维材料制成的超轻、高弹新型纤维类气凝胶能有效解决这些不足。

3.4 生物医疗

静电纺纳米纤维材料在生物医疗领域的应用主要包括组织工程支架、医用敷料、蛋白分离与纯化材料等。

3.4.1 组织工程支架

传统的2D细胞培养板无法模拟细胞的三维生长环境。3D多孔支架使细胞易黏附在实心孔壁上。3D微米纤维支架使细胞易黏附在单根纤维上。静电纺纳米纤维膜支架可以使细胞在纤维上均匀分布，细胞在支架中呈三维分布，且此静电纺纳米纤维膜支架具有纤维直径小、比表面积大、孔隙连通性好、利于细胞黏附和迁移等优势，是理想的组织工程支架材料。

3.4.2 医用敷料

静电纺纳米纤维敷料具有吸收性好、可选择性渗透、贴合性好、无疤痕等优势。

3.4.3 蛋白分离与纯化材料

现有的蛋白分离与纯化材料主要包括凝胶颗粒材料和微米纤维膜材料。前者虽粒径小、内部交联多孔，但阻力压降大、液体流速小；后者虽阻力压降小、通量大，但负载量小[24]。通过静电纺丝技术进行材料的结构设计和表面改性，得到的静电纺纳米纤维蛋白分离材料具有高吸附量、可循环使用等优点。

3.5 能源

3.5.1 锂离子电池

锂离子电池应用广泛，其中锂离子隔膜是锂离子电池的核心材料之一。商业化的聚烯烃隔膜具有孔隙率低、对电解液浸润性差、吸液能力弱、耐温性差等缺点[25]。静电纺纳米纤维膜具有高孔隙率、高安全性等优势，对提升锂离子电池的性能具有重要意义。

3.5.2 超级电容器

超级电容器的核心是电极材料。目前，金属氧化物电极材料虽然比容量高，但价格昂贵，还污染环境；导电聚合物虽然成膜性好，但热稳定性差[26]。静电纺碳纳米纤维材料兼具导电性好、比表面积大、性能稳定等优点，是重要的超级电容器用电极材料之一。

4 静电纺纳米纤维材料的发展展望

静电纺丝是有效制备纳米纤维材料的主要途径之一[27]。如何获得高质量的静电纺纳米纤维材料，进一步拓宽静电纺纳米纤维材料的应用领域，以及其规模化生产等问题，都是静电纺纳米纤维材料面临和需要解决的问题。

4.1 技术发展

静电纺丝设备简单、技术操作简便，但却不易制得高质量的纳米纤维[28]151-160。设备上，喷丝头的结构设计影响着静电纺丝装置的发展，同时结构的精细调控在不断地创新着静电纺丝技术[29] 9-12。纺丝参数设置方面，影响静电纺纳米纤维性能的参数众多，如纺丝液的浓度、黏度、纺丝电压、纺丝针头与接收装置之间的距离、溶液挤出速度、电导率、表面张力、环境温湿度、气流速度等[12]52-56,[30]，而这些参数对纤维的直径及性能的影响很大，易导致静电纺纳米纤维在形态上存在缺陷[31]2223-2253。

4.2 规模化生产

尽管静电纺丝技术具有设备简单、操作性强、高效等优点，但由于理论与应用研究还不够完善，尚未实现大范围的工业化生产，目前还未完成从试验室到流水线的过渡[32]46-49。静电纺纳米纤维的批量化制造是急需解决的问题，但目前针对静电纺生产效率的研究较少，纳米纤维的产量尚达不到大规模生产的要求[29] 9-12。

4.3 应用领域拓宽

静电纺纳米纤维材料被广泛应用于各领域，且目前部分应用领域已进一步得到拓宽，如生物医学领域、过滤材料领域、防护领域、新兴材料领域等。

生物医学领域是目前静电纺纳米纤维材料应用的研发热点，如功能性膜、细胞支架、仿生材料、细胞载体、药物传递等，故产业化必定是其发展方向[32]46-49。近几年来，使用静电纺纳米纤维材料制备的组织支架，在强力和生物相容性上均得到较大的改善，能够有效协助甚至取代原器官。因此，采用静电纺纳米纤维制成的组织支架被广泛应用于皮肤、血管、软骨、骨、神经等组织工程研究领域[33]。但静电纺纳米纤维支架的结构松散问题未能得到有效改善。目前，也有人采用静电纺纳米纤维对干细胞进行培养研究[34] 84-88。此外，近年来采用此技术开发出了可降解内敷料，使得生物敷料、可降解绷带等逐渐取代了原有的外部防护用品，且可降解内敷料与生物组织有高度的相容性，不会产生感染等副作用[34]84-88。

人们对过滤材料的要求也在不断提高，如部分水过滤材料能有效监控有害物质，还能处理废水及水体浮油等物质[28]151-160。此外，制备功能性纳米纤维过滤材料是一大趋势，如抗菌纳米纤维过滤材料等[35]。多孔结构纳米材料比表面积的提高大大扩展了静电纺纳米纤维材料的应用领域，也使其在组织工程、过滤等相关领域的应用性能得到显著提高[36]。

静电纺纳米纤维材料在防护材料中的应用也越来越广泛。

此外，静电纺无机纳米纤维因其具有大比表面积、高耐热性、高模量等优势，被广泛应用于新兴材料领域。新产品，尤其是具有特殊性能的功能材料不断被研发出来，目前正向产业化方向发展[31]2223-2253。

5 结语

当前，静电纺丝技术及设备主要存在纺程不可控、量产提高难、聚集非有序等三方面问题。近年，已有部分静电纺纳米纤维材料产品先后实现了产业化和商业化，正逐渐向功能化、双组分化的方向发展，相信将有越来越多的静电纺纳米纤维产品被投入到商业化的使用中。

[1] 宣小会. 纳/微米纤维素纤维增强聚乳酸复合材料的制备及其性能研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2013.

[2] 杨颖, 贾志东, 李强, 等. 电纺丝技术及其应用[J].高电压技术，2006, 32(11): 91-95.

[3] 韩晓杰, 张瑜. 静电纺纳米纤维的性能及应用[J]. 中国纤检, 2014(15): 34-35.

[4] DUAN X, LIEBER C M. General synthesis of compound semiconductor nanowires[J]. Advanced Material, 2000, 20(4): 298-302.

[5] XU L, SONG H W, DONG B, et al. Preparation and bifunctional gas sensing properties of porous In2O3-CeO2binary oxide nanotubes [J]. Inorganic Chemistry, 2010, 49(22): 10590-10597.

[6] 章金兵, 许民, 龙小艺. 纳米纤维的研究进展[J]. 江西化工, 2004(3): 24-30.

[7] 刘帅. 静电纺丝法制备无机纳米纤维及其性能研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2014.

[8] CHENG B W, JIAO X N, KANG W M.Studies on grafting of acrylic acid onto polypropylene melt-blown nonwovens induced by electron-beam preirradiation[J]. Journal of Applied Polymer Science,2006,102(5)：4971-4977.

[9] 李超, 于俊荣, 王彦, 等. 溶液喷射法制备间位芳纶纳米纤维的研究[J]. 功能材料, 2016, 47(10): 10218-10224.

[10] 黄千, 李静, 于俊荣, 等. 溶液喷射纺丝制备PMIA/MWNTs纳米纤维的研究[J]. 合成纤维工业, 2016, 39(6): 46-49.

[11] CHIGOME S, TORTO N. A review of opportunities for electrospun nanofibers in analytical chemistry[J]. Analytica Chimica Acta, 2011, 706(1): 25-36.

[12] 胡晓敏, 高杨, 吴宁, 等. 静电纺丝制备无机纳米纤维及应用进展[J]. 山东纺织科技, 2016, 57(1).

[13] LI M M, YANG D Y, LONG Y Z, et al. Arranging junctions for nanofibers[J]. Nanoscale, 2010, 2(2): 218-221.

[14] 仰大勇, 蒋兴宇. 静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展[J]. 合成纤维,2008,37(6): 1-5.

[15] 邹科, 龙云泽, 吴佑实. 静电纺丝制备纳米纤维的进展及应用[J]. 合成纤维工业, 2007, 30(3): 54-57.

[16] 彭孟娜. 工业用空气过滤材料的研究[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2017, 34(3): 200-203.

[17] 李永建, 李从举. 空气过滤用静电纺纳米纤维材料的研究进展[J]. 化工新型材料, 2012, 40(3): 18-21.

[18] 王兴雪, 王海涛, 钟伟, 等. 静电纺丝纳米纤维的方法与应用现状[J]. 非织造布, 2007, 15(2): 14-20.

[19] 王斌. 基于静电纺技术的磁性复合纳米材料的制备及其在废水处理中的应用[D]. 上海: 东华大学, 2012.

[20] 刘雷艮,潘志娟. 纤维过滤材料在印染废水处理领域的研究现状[J]. 产业用纺织品, 2010, 28(5): 33-37.

[21] 彭孟娜. 海上溢油清理方法的比较研究及综合运用[J].清洗世界, 2017, 33(9): 26-31.

[22] 闫嘉琨, 刘延波, 张子浩, 等. 电纺PET纳米纤维膜的制备及其防水透湿性能评价[J]. 2013, 32(6): 14-18.

[23] 石磊. 熔喷复合非织造布保暖材料的制备与性能研究[D]. 天津: 天津工业大学, 2011.

[24] CHAN K, PARK S H, LEE W J, et al. Characteristics of supercapaitor electrodes of PBI-based carbon nanofiber web prepared by electrospinning[J]. Electrochimica Acta, 2004, 50(2-3): 877-881.

[25] 张子浩. 静电纺纳米材料在锂离子电池中的应用[J]. 产业用纺织品, 2016, 34(6): 1-7, 12.

[26] BERGSHOEF M M, VANCSO G J. Transparent nanocomposites with ultrathin, electrospun nylon-4, 6 fiber reinforcement[J]. Advanced Materials, 1999, 11(16): 1362-1365.

[27] 丁彬, 斯阳, 俞建勇. 静电纺纳米纤维材料在环境领域中的应用研究进展[J]. 中国材料进展, 2013, 32(8): 492-502.

[28] DOSHI J, RENEKER D H. Electrospinning process and application of electrospun fibers[J]. Journal of Electrostatics, 1995, 35(2-3).

[29] 王炳辉, 刘亚, 程博闻, 等. 静电纺纳米纤维材料的结构设计及其应用[J]. 合成纤维, 2009, 38(7).

[30] 杨守共, 李向葵, 罗素丹, 等. 静电纺丝技术及其应用进展[J]. 科技展望, 2014(12): 85.

[31] HUANG Z M, ZHANG Y Z, KOTAKI M, et a1. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites[J]. Composites Science and Technology, 2003, 63(15).

[32] 刘娜, 杨建忠. 静电纺纳米纤维的研究及应用进展[J]. 合成纤维工业, 2006, 29(3).

[33] 钱永芳, 莫秀梅, 柯勤飞, 等. 静电纺纳米纤维用于组织工程支架[J]. 中国组织工程研究, 2007, 11(22): 4371-4375.

[34] 李岩, 仇天宝, 周治南, 等. 静电纺丝纳米纤维的应用进展[J]. 材料导报, 2011, 25(17).

[35] 李永建, 李从举. 空气过滤用静电纺纳米纤维材料的研究进展[J]. 化工新型材料, 2012, 40(3): 18-21.

[36] 刘呈坤, 贺海军, 孙润军, 等. 静电纺制备多孔纳米纤维材料的研究进展[J]. 纺织学报, 2017, 38(3): 168-173.