静电纺丝技术在各领域中的应用

管 山，盖广清

（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130118）

静电纺丝法具有设备简单、操作简单、生产效率相对较高等优点，被广泛应用于纳米纤维的制备。采用静电纺丝技术制备的纳米纤维，具有比表面积大、柔软等特点，被广泛应用于催化剂、环境保护、电池、噪音吸收、电子、医疗等领域。

1 静电纺丝技术的原理

静电纺丝需要的设备有高压电源、收集装置、溶液储存装置、喷射装置等（图1）。其原理是利用高压电源，在溶液与收集装置之间形成电压差，使得溶液克服液体的表面张力而形成泰勒锥。当电压超过一定值，液体就会从泰勒锥端部喷射出来。喷射的液体沿着电场力的方向被拉伸，经过冷却和溶剂挥发，最终在收集装置上形成纳米纤维。一般情况下，静电纺丝所需的电压在几千伏至几十千伏之间[1]。

图1 静电纺丝装置示意图

2 静电纺丝的应用领域

2.1 电磁屏蔽

日常生活中，电子设备的数量越来越多且使用频繁，难免会发生电子设备之间相互干扰的情况，因此设备的抗电磁屏蔽性能尤为重要。Intel Corporation发布的一份白皮书中提到，USB 3.0设备所产生的无线电频率，会对2.4GHz的无线设备产生干扰[2]。因此，对设备采取电磁屏蔽措施，可以有效减少其他设备的干扰，以及本设备对其他设备的干扰。为了达到屏蔽电磁辐射的目的，一般采用金属编制网、铜箔或铝箔对线缆进行屏蔽，电路板上的元器件则一般用金属屏蔽罩进行屏蔽。但某些有特殊要求的物体要进行电磁屏蔽时，上述的方法可能就无法满足要求了。不易腐蚀且较柔软的纳米纤维则有可能满足这些特殊需求。宋欣[3]采用静电纺丝法，制备了乙酰丙酮镍掺杂聚丙烯腈的纳米纤维，经预氧化和碳化处理得到了镍掺杂的碳纤维。实验结果表明，镍盐含量为30%、厚度为0.5mm时，纳米纤维在频率12.4GHz下的屏蔽能效为30.07dB。郝婧[4]采用静电纺丝并结合高温碳化法，制备了Fe-Ni/C纳米纤维，并进行了电磁屏蔽性能的测试。实验结果表明，先用浓度为8wt%的PAN和浓度为7wt%的金属盐的纺丝液制备前驱体，再在800℃下煅烧制成的Fe-Ni/C纳米纤维，厚度为3mm时的最小反射损耗可达-22dB，厚度为2.75mm时的最大有效吸收带宽为9GHz。采用静电纺丝和煅烧处理的方法，把不同比例的聚碳硅烷（PCS）和聚苯乙烯（PS）制备成SiC纳米纤维，并对其进行电磁屏蔽性能测试。实验结果表明，纺丝液中的PSC和PS浓度分别为16wt%和8wt%时，制备的厚度为1.6mm的SiC纳米纤维，在15.8GHz下的最小反射损耗RLmin为-40dB。将制备的纳米纤维与石墨烯复合，分别制备了纳米纤维含量为3wt%的Fe-Ni/C NFs-rGO和SiC NFsrGO复合膜，二者的厚度为0.013mm时，在X波段（8~12GHz）分别有27dB和23dB的屏蔽效能。

2.2 电池

近年来，蓝牙耳机、电动汽车、手机、电脑的普及，使得对电池的要求越来越高，因此近年来电池一直是热门的研究方向。目前常用的锂离子电池一般由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、集流体、粘接剂、导电剂等组成。除了锂离子电池之外，燃料电池、铅蓄电池等其他类型的电池也有广泛应用。静电纺丝技术也可以应用于电池中。汤丰丞等人[5]采用静电纺丝技术，将PAN溶液喷涂到PE电池隔膜的两面，制备了PAN/PE复合隔膜。实验结果表明，相较于PE隔膜，制备的PAN/PE复合隔膜具有更好的润湿性和更强的热稳定性。相比用PE隔膜制备的锂电池，用PAN/PE复合隔膜制备的锂电池拥有更大的放电比容量，具有更好的倍率性能。WANG L等人[6]采用静电纺丝法，将掺杂了硅的聚丙烯腈溶液制成了纳米纤维，再经高温碳化，制成了掺杂硅的碳纳米纤维。相较于碳纤维，掺杂硅的纳米碳纤维拥有更高的容量。锌-空电池是一种正极活性物质为氧气、负极活性物质为锌的电池，氧化还原电催化剂是其重要的组成部分，目前常用的是Pt基催化剂。由于Pt元素在自然界中非常稀少，导致目前商用的Pt基催化剂的价格昂贵且产量较少。张旭等人[7]采用静电纺丝和高温煅烧的方法，制备了自支撑Co/CNF碳纳米纤维膜，并将其作为空气阴极。测试结果表明，以Co/CNF作为阴极的锌空气电池，其开路电压和峰值功率密度均较高，分别为1.46V和185mW・cm-2，优于商业Pt/C催化剂。

2.3 环境保护

2.3.1 光催化

随着工业的发展，环境问题越来越受到重视，水中有机污染物的降解已成为环境领域的研究热点。半导体光催化技术被认为是一种降解水体中污染物的重要手段。制备半导体光催化剂的常用方法有气相沉积法、水热法、静电纺丝法等。Sihui Zhan等人[8]采用同轴静电纺丝技术，制备了以磁性γ-Fe2O3为芯层、Ti0.9Si0.1O2为鞘层的磁性芯鞘功能纳米纤维。Ti0.9Si0.1O2在太阳光下降解亚甲基蓝的效率为90%，相较于纯 TiO2（62.9%），对亚甲基蓝的降解率有所提升。商希礼等人[9]以三聚氰胺和五水硝酸铋为原料，采用静电纺丝方法制备了Bi2O2CO3/g-C3N4复合纳米纤维材料，并在模拟可见光（300W氙灯）下降解亚甲基蓝，降解率为83.2%，约为相同条件下g-C3N4的2倍。张明高等人[10]采用静电纺丝技术制备了Zn(CH3COO)2/PVP复合纤维膜，再经高温煅烧，得到了ZnO纳米纤维。实验结果表明，ZnO纳米纤维对罗丹明B的降解率达到了96.3%，相比文献中用水浴法制备的ZnO纳米颗粒对罗丹明B的的降解率（94.1%），有一定的提高[11]。简绍菊等人[12]以PVP、硝酸银、二水合醋酸锌为原料，采用静电纺丝技术并结合高温煅烧，制备了Ag/ZnO复合纳米纤维。当Ag的掺杂摩尔分数为4%、煅烧温度为600℃时，复合纳米纤维对甲基橙的降解率为99.9%。孙科[13]采用静电纺丝技术结合油浴法，制备了Pt/WO3纳米纤维光催化复合材料。当Pt颗粒的含量为1%时，Pt/WO3纳米纤维对罗丹明B的降解率为93.7%。孙科还采用静电纺丝技术结合高温煅烧，分别制备了ZnWO4/WO3异质结构纳米管和CoWO4/ZnWO4多孔异质结构纳米管，二者在可见光下对4-NP的降解率，分别为91.2%和90.3%。盖广清[14]采用同轴静电纺丝技术和同单轴静电纺丝技术，分别制备了空心[PVP＋Ni(NO3)2]纳米纤维和[PVP＋Ni(NO3)2]纳米纤维，再经高温煅烧，分别制成了NiO纳米管和NiO纳米纤维。以罗丹明B为目标降解物，进行材料的光催化性能测试，结果表明，NiO纳米管和NiO纳米纤维对罗丹明B的降解率，分别为72%和62%。

2.3.2 吸油

越来越多的海上钻井平台和油轮，使得海洋中的油料泄漏问题频频发生。海上油料泄漏会污染海水水质，危害海洋生态系统，影响海滨旅游业[15]，给环境和经济带来双重打击。目前常用的处理海上漏油的方法有生物降解法[16]、物理扩散法[17]、物理吸附法[18]、直接燃烧法[19]等。王缤冰等人[20]采用静电纺丝和PEO模板相结合的方法制备了PVDF纳米纤维，并进行了吸油性能测试。结果表明，制备的PVDF纳米纤维对润滑油、柴油、植物油和汽油的吸油倍率，分别为 24.2g・g-1、11.8 g・g-1、14.0 g・g-1和8.4g・g-1，远超PVDF普通膜，且具有良好的重复使用性能。刘强飞等人[21]采用静电纺丝技术制备了多孔聚乳酸纳米纤维膜，用丙酮处理5min后进行了吸油性能测试。结果表明，其对硅油、大豆油、机油的吸油倍率，分别为 66.21g・g-1、50.47g・g-1和15.59g・g-1。

2.4 抗菌材料

抗菌材料在我们的生活中十分常见，目前在医疗、服装等领域均有应用。近年来，随着人们对食品安全问题的重视，用抗菌材料包装食品，以避免被微生物污染而发生腐败及食品安全问题，逐渐成为一个研究热点[22]。董西玲等人[23]制备了经聚多巴胺改性且粘附了铜离子的聚己内酯静电纺丝膜，该静电纺丝膜可以有效抑制变形链球菌。胡银春等人[24]采用水热法制备了微米级的MOF-5颗粒，并将银粒子负载到MOF表面，制备了纳米级Ag@MOF-5 粒子，然后采用静电纺丝技术制备了Ag@MOF-5/β-CD 静电纺纤维膜（Ag@ MOF-5的质量分数为0.5%）。抑菌圈法的检测结果表明，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为12.93mm和12.14mm，对这2种细菌有良好的抑制作用。Ying Wang等人[25]以PCL/PVL (CV)为纳米纤维底物，MgONPs为抗菌剂，采用静电纺丝技术制备了MgO/PCL/PVP (MCV)抗菌纳米纤维。当MgONPs含量为3.0 wt%时，纳米纤维对大肠杆菌具有良好的抗菌性能，抗菌率为100%。李梦娜等人[26]采用静电纺丝技术制备了载姜黄素的抗菌型苯丙氨酸基聚酯脲复合纳米纤维膜（PBP/PCL/Cur静电纺纳米纤维膜），对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别为94.5%±2.1%和93.3% ±1.3%，具有良好的抗菌性。

3 结语

静电纺丝技术在电子、新能源、环境保护、医疗、食品等行业有着较大的应用前景，但在采用静电纺丝技术制备纳米纤维时，影响性能的因素较多，因此要采用静电纺丝技术大规模生产品质稳定的纳米纤维存在一定困难。此外，在采用静电纺丝技术制备纳米纤维时，使用的一些溶剂具有一定的毒性，对人员与环境均不是很友好。目前的研究结果与大规模的工业化生产及绿色生产还有较大差距，仍需研究者进行深入研究。