静电纺丝技术的影响因素及应用研究综述

邹爽 赵金 松陈驰

摘 要：静电纺丝技术是近年来兴起的一种简单高效、经济快捷的纳米纤维材料制作技术。近年来，納米材料在诸多领域都得到了广泛应用，越来越多的人将关注点放在对静电纺丝技术的研究和探索A上，并且取得了较为可观的成果。基于此，本文对静电纺丝技术的影响因素及应用研究进行探究，以期为相关学者的研究提供借鉴。

关键词：静电纺丝技术;影响因素;应用领域

中图分类号：TQ340.64 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0075-03

Abstract： Electrospinning technology is a simple， efficient， economical and fast fabrication technology of nanofibers， which has emerged in recent years. In recent years， nanomaterials have been widely used in many fields. More and more people focus on the research and exploration of electrospinning technology， and have achieved considerable results. Based on this， this paper explored the influencing factors and application research of electrospinning technology， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： electrostatic spinning technology;influencing factors;application field

1 静电纺丝技术简介

1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置，并申请了专利。该专利公布了聚合物溶液在电极间怎样形成射流，详细描述了利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，在静电纺丝技术刚产生时，并未引起人们的重视。直到20世纪中期，纳米技术开始飞速发展，纳米材料被广泛应用于各个领域，静电纺丝技术逐渐得到各界学者的重视和广泛关注。从高分子材料的化学及物理性能上来讲，静电纺丝是一种通过电场最终使前驱体溶液雾化的技术。前驱体溶液在高压电场的作用下，高分子流体并不是以一种液体的微小的形态运行的，更多是以一种雾化的形式来实施的[1]。静电纺丝过程可以描述聚合物溶液在强静电场中的流动。当溶剂固化后，得到纤维状材料。在电场中，流体被雾化，经过一段时间和一段距离的运行后最终转化成为纤维。世界上最早的静电纺丝装置是在美国著名的专家的不断研究之下呈现出来的，试验用醋酸纤维素溶液为前驱体溶液置于高压电场中，分别将两个电极连接在接收装置和纺丝头上，当电场力克服了电流表面张力后，小液滴就不能继续维持原先所具有的形态，因而就形成了最终的束状细丝，固化后形成纤维。在之后的研究和探索中发现，试验中采用的流体的性质对纺丝是否能取得成功发挥着至关重要的作用。从近年来的综合发展形势来看，在制备纳米材料时，对静电纺丝这种制备方法也是给予了强烈的关注和前所未有的重视。

2 静电纺丝技术的现状

静电纺丝因具有制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，被广泛应用于各个领域[2]。但在实际应用过程中，静电纺丝技术仍存在诸多问题。在对静电纺丝后续的研究过程中，并没有深入渗透到无机纳米纤维领域的研究来。通过静电纺丝技术制备的无机物纳米纤维成品的柔韧性和连续性不足，非常脆，故而，在具体的使用过程中，也会给具体的使用带来诸多不便之处[3，4]。

3 静电纺丝技术的影响因素

3.1 纺丝液载体

纺丝液即为前驱体溶液，一般是由高分子聚合物和与其相溶的溶剂组成。从客观角度来讲，所有的可溶和熔融态的高分子聚合物都可以用静电纺丝技术进行加工和制备。从当前的发展形势上来讲，可以用于进行静电纺丝的聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、胶原蛋白、明胶等合成或者天然高分子材料，而常用的溶剂为水、硫酸、无水乙醇、二氯甲烷等[5]。

3.2 黏度

静电纺丝的前驱体溶液黏度过大会使高聚物分子链缠结过多、过密，导致射流发生较大的不稳定现象，使纺丝难以完成，也容易导致获得的纳米纤维直径和分布非常不均匀。但是，黏度过低会使纺丝液难以形成正常的射流，纺丝难度大，最终只能形成液滴。从上述对相关性能的分析可知，前驱体溶液黏度的高低对静电纺丝的均匀程度起决定性作用。影响前驱体溶液黏度的因素主要包括溶剂种类、聚合物分子量大小、纺丝液中各个成分的配比等。所以，为了获得最佳效果，配置纺丝液时，要兼顾上述因素，并且不断进行尝试和试验[6-7]。

3.3 导电性

在静电纺丝过程中，由于纺丝液受到静电场的作用较大，所以导电性对静电纺丝有着很大的影响。溶液会产生较多射流束，在电场力作用下，聚合物溶液经过拉伸，固化成纤维膜。由此，纺丝液的导电性对最终纺丝的效果也是具有重大影响的。在进行纺丝的过程中，导电性是必须要重点考虑的问题。将盐类、离子溶液或者导电金属离子加入前驱体溶液中，能提高其导电性，并且能提高溶液的电荷密度。纺丝液进入已经设定好的电场后，由于受到更加强大的电场力影响和实际作用，最终能够制备出直径更细的电纺纳米纤维。

3.4 电压

电压对静电纺丝制备纳米纤维产生的影响分为以下两个主要方面：其整体的电压呈现出不断提升和增加的趋势，射流在这样的状态下也不断予以拉伸，对其形成小直径纳米纤维具有重要意义;电压如果持续上升，纺丝液射流的喷射速度过快，导致溶剂在喷射过程中难以实现相对充分的挥发，小液滴的拉伸和分裂不足。

3.5 接收距离

接收距离对电场强度、纺丝液射流在电场中的拉伸和飞行时间以及在这个过程中溶剂的挥发会造成直接影响。接收距离较小会增大电场强度，最终呈现出来的结果是其拉伸效果更好一些，对于形成直径更细、分布更均匀的纳米纤维是行之有效的。较小接收距离也会缩短拉伸时间，这样会造成溶剂挥发不充分，最终导致在具体分布上有比较明显的分布不均衡的现象存在[8，9]。

4 静电纺丝技术的应用

4.1 组织再生

人体的很多组织一旦遭受到损伤，要想再将其复原，难度是非常大的。因此，需要在体外构建活体组织，将其植入体内，利用这样一种活体组织替代被破坏的组织。因为利用静电纺丝制备的纳米材料直径与正常的细胞相比要小很多，因而，其能模拟代替细胞外基质的结构及生物功能。由此，针对不同组织的再生需求，利用静电纺丝制备的纳米材料构建多种不同结构的仿生支架，进而实现其替代组织的培养，最终实现对人体受损的细胞的修复[10-12]。

4.2 电池方面的应用

当前的电池普遍具有隔膜孔隙率和吸液量不足等诸多缺点。要想在大电流下实现有效充电或者是放电，难度较大。但是，通过静电纺丝技术能够制备出具有高比表面积以及高孔隙率的纳米级纤维材料。因此，利用静电纺丝技术制备锂离子电池膜能实现吸液量和孔隙率的大幅度提升。

4.3 药物载体

传统的给药方式以口服、注射为主。无论是从患者对药物的吸收率上来讲，还是从其对药物的代谢速度上来看，该方式都不能较好地满足机体的需求。在该状态下，药物要想更好地发挥出其效用，难度也较大。由于电纺纤维的可溶性和生物相容性效果良好，因此，高分子材料可以通过静电纺丝制备成纳米纤维，进而将其应用到人体对药物的吸收上，最终实现人体对药物利用率的大幅度提升[13-15]。

4.4 食品领域

近年来，静电纺丝制备纳米纤维在食品领域得到了广泛应用，主要被用于包装材料、快速检测和食品添加剂等方面。其在食品领域的发展前景以及发展规模是非常可观的。

5 结语

从当前环境来看，已经有200多种高分子聚合物能通过静电纺丝技术成功制备出纳米纤维;从客观角度来讲，静电纺丝只能制备高分子聚合物纳米纤维，如果想要利用无机物的方式来实现，难度较大，这是因为无机物的黏度不能很好地契合其本身的具体使用需求。目前，虽然还不能通过静电纺丝直接制备出无机物，但能将高分子聚合物和无机物搅拌溶解在一起形成静电纺丝的前驱体溶液来制备具有一维结构的无机物纳米级纤维。在当前纳米技术迅猛发展的时代，静电纺丝作为一种高效的纳米纤维制备方法，在很多产业及领域都得到了认可和广泛应用，为人们的生产、生活以及工作提供了较大的便利。

参考文献：

[1]孙宇，邹强，李轩泽，等.基于静电纺织技术构建血液生物膜的初探及生物相容性评价[J].中国组织工程研究，2019（6）：901-905.

[2]张振，钱永芳，郑来久，等.静电纺丝法制备PVP/芦丁抗紫外纳米纤维膜[J].上海纺织科技，2016（4）：31-32，60.

[3]梁列峰，李代洋，杨婷，等.静电纺丝技术的研究进展[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（4）：126-131.

[4]戴丽琴，張如全.静电纺丝技术的应用与发展趋势[J].武汉纺织大学学报，2013（6）：37-41.

[5]田龙，李杰，潘志娟.多射流静电纺丝技术的研究现状[J].纺织学报，2013（9）：150-156.

[6]刘菁，王鑫.影响静电纺丝电场强度的因素分析[J].纺织学报，2013（10）：6-14.

[7]李平舟.纺织材料抗静电整理的难题破解自有良策[J].网印工业，2018（8）：26-34.

[8]杨恩龙，王善元，李妮，等.静电纺丝技术及其研究进展[J].产业用纺织品，2007（8）：7-10，14.

[9]申妮，徐磊，王大伟，等.静电纺丝技术的应用与现状[J].西部皮革，2017（18）：14.

[10]李靖.基于3D打印与静电纺织技术的血管化组织工程骨构建[D].贵阳：贵州医科大学，2017.

[11]陈威亚，刘延波，张泽茹，等.多针头静电纺场强改善的有限元分析[J].纺织学报，2014（4）：21-25，31.

[12]陈威亚，刘延波，王洋知，等.多针头静电纺丝过程中电场强度与分布的有限元分析[J].纺织学报，2014（6）：1-6.

[13]庄昌明，孟晓华，曾泳春.静电纺丝接收装置的大小对电场分布和纤维接收的影响[J].纺织学报，2014（6）：7-13.

[14]曹进.静电纺聚氨酯防水透湿纳米纤维功能膜的研究[D].杭州：浙江理工大学，2017.

[15]刘延波，曹红，张立改，等.多针头静电纺丝过程中场强的改善[J].成都纺织高等专科学校学报，2017（2）：30-36.