我国静电纺丝领域研究现状及其热点：基于CNKI数据库的可视化文献计量分析

苏芳芳，经 渊，宋立新，唐志荣，d

(浙江理工大学 a.经济管理学院,b.杂志社,c.纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),d.史量才新闻与传播学院, 浙江, 杭州)

静电纺丝是使带电且具有较高黏度的高分子溶液或熔体在静电场中发生流动变形,再经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,从而得到纤维材料的一种技术[1]。该技术是当前制备纳米纤维的热门研究方向[2-3]。其中纳米纤维是指纤维直径小于100 nm的纤维材料,具有孔径小、比表面积大、孔隙率高等特点[4],在组织工程[5-6]、生物医药[7-8]、电极材料[9-10]、污水降解[11-12]、噪声处理[13-14]、防护过滤[15-16]等领域有很高的研究与应用价值。相比模板合成、相分离、自组装等纳米纤维制备工艺,静电纺丝在装置简易程度、纺丝成本、可纺物质种类、纤维结构可控性、环境等方面具有显著的竞争力[1-2]。

静电纺丝技术起源于20世纪30年代[17]。20世纪80年代后国内学者们开始对静电纺丝技术进行研究,静电纺丝装置也不断升级换代。依据静电纺丝的基本原理,将围绕静电纺丝的科学研究划分为4个方面：1)对静电纺丝装置的改进。为实现纳米纤维的批量化生产并适应多样化的工业需求,静电纺丝装置的喷头形态由传统的单喷头改良为平行排列多喷头[18-19]、矩形排列四喷头[20-21]、蝶形喷头[22-23]、球形喷头[24-25]以及螺纹式喷头[26-27]等。接收装置改为平行导电板、旋转滚筒以及漏斗等多个形态,以获取更加有序及结构优良的纳米纤维[28-30]。2)研究增强体种类及质量分数对聚合物纤维结构与性能的影响。学者们致力于向溶液中加入纳米纤维素晶体(CNC)[31-32]、壳聚糖(CS)[33-34]、氧化镁(MgO)[35]、氧化石墨烯(GO)[36]、硒化钌(RuSe2)[37]、碳纳米管(CNTs)[38-39]等,并探究它们用于制备复合纳米纤维时的最佳质量分数。3)基于静电纺丝法制备纳米纤维材料并测试其性能,如丝素蛋白[40-41]、玉米醇溶蛋白[42]及羊毛角蛋白[43-44]等仿生蛋白的制备。4)采用静电纺丝技术制备纳米纤维材料时的功能化后处理或特殊纳米纤维(多孔、无机、分级结构和三维集合体等)的制备与应用。工业上常用的后处理溶液有甲醇、乙醇及甘油等[45],后处理能够使纳米纤维具备更好的力学性能,从而满足不同领域的应用要求[46-47]。

关于静电纺丝技术的研究已有不少研究成果,也有学者对静电纺丝的研究进展及应用现状进行了综述,这些综述多聚焦于某一种复合纳米纤维材料[48-49],或探究某一种复合纳米纤维材料在既定领域中的应用[50-52]。

文献综述法可对一个知识领域进行专业分析,但这种研究方法受主观因素影响较大,并且所能覆盖的文献数量有限。文献计量法是使用数学和统计工具对文献进行定性和定量分析的一种方法,是总结既定领域内当前知识结构以及量化整体科技生产力的强有力的工具[53]。相比文献综述法,文献计量法可基于海量的文献提供一个知识领域的全面认知。本文基于CNKI数据库,使用CiteSpace可视化工具,对静电纺丝技术研究领域的文献报道进行计量分析,从发文量、被引量、关键词、作者、发表机构等维度对静电纺丝的研究热点及前沿信息进行挖掘,以期全面了解国内的静电纺丝技术研究现状,从而为相关研究人员提供参考。

1 材料和方法

1.1 数据来源

文献数据源于CNKI学术期刊数据库,在“主题”字段中以“静电纺丝”或“静电纺”为主题词进行检索,得到中文文献6 313篇,去除无作者以及预出版和非学术论文后剩余5 890篇,检索时间为2022年7月23日。用于近期研究主题对比的国际文献数据源于Web of Science,检索时间为2022年8月。

1.2 研究方法

相比基础的文献计量学方法,可视化方法能够直观呈现文献引用信息以及层次结构,并从中挖掘出复杂网络的交互性信息[53]。使用CiteSpace可视化软件从时间和空间两个主维度,分析5 890篇静电纺丝中文文献的发文量、作者共现、机构共现及静电纺丝领域中的研究热点等,并与同期国际静电纺丝的研究热点进行对比。

2 结果与分析

2.1 发文量分析

根据发文时间统计国内静电纺丝领域的发文量,结果如图1所示。由于2022年的数据还不完整,在进行数据分析时剔除了该年度的数据。静电纺丝领域的发文情况分为3个阶段。1981—2002年是我国静电纺丝技术的萌芽阶段,学者们开始探索国外静电纺丝装置的构成和原理,每年的发文量在6篇以内;在这个阶段,静电纺丝还没有引起学术界及行业内的广泛重视。2003—2010年是静电纺丝的热度升温阶段,发文量呈逐年上升趋势,2010年发文量达239篇;这个阶段学者们聚焦于使用静电纺丝技术制备纳米纤维成品并投入应用。自2011年起静电纺丝研究进入持续繁荣阶段,发文量呈螺旋上升趋势;自此,静电纺丝技术受到学者的广泛关注,研究主题逐渐丰富且具体,同时领域也不再拘泥于纺织行业,生物、制药等领域均有涉及。总体上,静电纺丝领域发文量呈逐年增加态势。截至2021年12月31日,国内中文期刊在静电纺丝领域的年发文量达574篇。

图1 发文量随时间变化图Fig.1 The number of posts changes over time

2.2 作者产出与共现分析

所检索的5 890篇静电纺丝相关中文文献分布在1981—2022年,由于1981—2006年的文献量较少,分析时将时间范围设置为2007—2022年;在CiteSpace可视化软件中每两年进行一次切片。结果显示,664位学者参与了静电纺丝的学术研究。年发文量排名前15的作者如表1所示。其中,魏取福的发文量最多(117篇),其次是杨卫民(93篇),李从举以89篇的发文量位列第三。作者的影响力可通过中介中心度进行分析。中介中心度是指经过一个节点的最短路径的数量,该指标是衡量节点在网络中重要程度的关键指标[54]。从作者的中介中心度来看,魏取福、杨卫民和李从举也位于前列。此外,覃小红、丁玉梅及李秀艳3位作者的中介中心度也较高,说明他们在静电纺丝领域有着较高的影响力。

表1 2007—2022年核心作者发文量统计

在CiteSpace可视化软件中,设置被引频次≥15、作者发文量≥10,绘制作者共现网络,如图2所示。由图2可知,在静电纺丝领域,分别形成了以魏取福、丁玉梅、覃小红、李秀艳、熊杰为中心的5个分散式合作网络关系。5个群体内部合作网络密度大,群体间合作网络密度小。值得注意的是,分别以熊杰、覃小红为核心的局部网络内部密度较小,且网络节点中高产的作者较少,但是这两个局部网络之间以李妮为中介节点产生了较密切的合作关系。

图2 2007—2022年作者共现网络Fig.2 Author co-occurrence network in the years from 2007 to 2022

2.3 机构产出与共现分析

在CiteSpace可视化软件中将互引频次设置为50及以上,节点类型设置为引文年轮,绘制共现网络,如图3所示。结果显示,在静电纺丝领域,约有500家机构开展了相关的科研任务。按照发文量统计结果,影响力较大的前6所机构依次为东华大学(442篇)、天津工业大学(330篇)、江南大学(236篇)、北京化工大学(210篇)、苏州大学(181篇)和浙江理工大学(152篇)。这6所大学是中国静电纺丝研究的主力军,他们分别依托东华大学纤维材料改性国家重点实验室、江南大学生态纺织教育部重点实验室、浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室等纺织材料重点实验室,开展了一系列静电纺丝技术的改良工作及复合材料的改性研究工作。其中,东华大学纺织学院、天津工业大学和苏州大学纺织与服装工程学院的论文被引频次最高,说明这3所机构在静电纺丝领域占据核心地位。从机构合作的视角分析,东华大学纺织学院和浙江理工大学材料与纺织学院、东华大学纺织学院和苏州大学纺织与服装工程学院、北京化工大学机电工程学院和北京服装学院材料科学与工程学院之间的合作最为密切。此外,机构之间的合作具有地域聚集的特点,特别是同一机构的下属部门之间的合作更为频繁,如东华大学的纺织学院、化学化工与生物工程学院及材料科学与工程学院。

图3 机构共现网络Fig.3 Institutional co-occurrence network

2.4 关键词聚类分析

关键词是论文的高度凝练,展现了论文的核心内容[54]。因此,对文献的关键词进行分析有利于更深入地挖掘领域内的研究热点。在CiteSpace软件中,将节点类型设为“keyword”,选择默认关键词阈值k=25,从5 890篇文献中共提取594个高频关键词,其中排名前25位的关键词如表2所示。由表2可知,在静电纺丝研究领域,“纳米纤维”“复合材料”“聚丙烯腈”“力学性能”“复合纤维”是学者最为关注的研究方向。除“纳米纤维”“力学性能”“聚丙烯腈”以外,“组织工程”“光催化”同样具有较高的中介中心度,表明这两组关键词在静电纺丝领域也受到较高的关注。

表2 静电纺丝高频关键词Table 2 High frequency keywords for electrospinning

关键词时间聚类是研究同一个时间线上不同关键词变化的分析方法[55]。在关键词聚类的基础上,绘制关键词时间分布图,如图4所示,其中提取的7个聚类集群置于图4右侧。由图4可知,静电纺丝领域的研究自始至终围绕3#“纳米纤维”这一话题。纳米纤维是静电纺丝技术的主要产物,而静电纺丝技术是纳米纤维的主要制备工艺,二者彼此依赖,不可分割。2007年年初,有学者开始研究静电纺丝技术在0#“组织工程”中的应用。他们利用静电纺丝技术制备胶蛋白、丝素蛋白等天然生物高分子蛋白,并着力研究生物相容性、力学性能、支架与组织的匹配和降解性能;同时,调控纳米纤维及其集合体的微结构,增加纤维支架的孔径,促进细胞向支架内部生长,而力学性能方面,主要探讨支架与对应组织的匹配性。同一时段,聚类集群1#“力学性能”也备受关注。静电纺丝纳米纤维及其膜的力学强度普遍偏低,这严重制约了纳米纤维膜的应用。为此,研究人员尝试将纳米纤维与微米纤维、织物等结合在一起,以改善纳米纤维膜的力学性能。如何进一步增强静电纺丝纳米纤维或膜的力学性能和结构稳定性,仍是静电纺丝领域需要努力的目标。与3#“纳米纤维”、4#“光催化”和5#“应用”相关的关键词,如“超细纤维”“微孔结构”“多孔结构”“导电率”“直径”等的出现,表明研究人员对纳米纤维结构、形貌、直径的调控和功能化应用的重视,如光催化纳米纤维膜在水处理、CO2还原、析氢等方面备受关注。纤维状的一维结构不仅可有效传输载流子,还能促进催化剂的回收;多孔结构的纤维可增大催化剂的比表面积,从而提高催化的效率。此外,采用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维及碳基复合纳米纤维等在孔径、孔隙率、比表面积、吸附性等方面有明显优化,并在重金属离子吸附材料,锂离子电池、超级电容器及燃料电池的电极材料,吸音降噪材料等领域展现出良好的应用前景。6#“多针头”的出现表明学者们对静电纺丝装置改良和产业化的重视。研究人员发现静电纺丝纳米纤维具有很好的电磁屏蔽性能,利用陶瓷基、碳基及其他静电纺丝纳米纤维复合材料取代传统金属基屏蔽材料的研究也逐渐受到关注。

图4 国内文献关键词时间分布图谱Fig.4 Keywords time distribution atlas of domestic literature

由于CNKI数据库基本覆盖了静电纺丝领域主要的中文文献,基于CNKI数据库的关键词进行聚类分析可以帮助研究人员更好地了解国内静电纺丝领域的研究热点。为了与国际上静电纺丝领域的研究趋势进行对比,基于Web of Science数据库中2018—2022年收录的15 000余篇静电纺丝相关研究文献,对国际静电纺丝研究的最新进展进行关键词聚类分析,其时间分布如图5所示。结果显示,“组织工程”“聚己内酯”“壳聚糖”“碳纳米纤维”“吸附性”“力学性能”“聚丙烯腈”等关键词在中外文文献中都出现得最为频繁,可见国内静电纺丝研究热点与前沿和国际研究有较高的相似度。国内外静电纺丝研究最大的区别在于国内注重基础理论研究,国外则注重具体场景的应用。由图5可知,2018—2022年国际静电纺丝研究主要关注“tissue engineering”(组织工程)、“carbon nanofibers”(碳纳米纤维)、“graphene oxide”(氧化石墨烯)、“energy harvesting”(能量收集)、“mechanical properties”(力学性能)、“polyvinyl alcohol”(聚乙烯醇)及“TiO2nanofibers”(二氧化钛纳米纤维)等方向。其中,在“wound healing”(伤口愈合)[56-57]、“drug delivery”(药物输送)[58]、“drug release”(药物释放)[59]、“bone biocompatibility”(生物相容性)[60-61]等生物医用领域的研究聚焦在应用层面。由此可见,国际静电纺丝领域研究聚焦在静电纺丝技术在生物医药领域的应用。

图5 2018—2022年国际文献关键词时间分布图谱Fig.5 Keywords time distribution atlas of international literature in the years from 2018 to 2022

2.5 突变词分析

突变词是指某研究领域短时间被引频次急剧上升的关键词,可以反映一段时间内影响力较大的研究主题[62]。通过计算关键词的突现强度得到25个突变词,如表3所示。由表3可知,2007—2022年,与静电纺丝相关的研究具有阶段性演化特征。2007—2010年为初始阶段,国内学者们重视静电纺丝成品及其装置的研究,包括纺丝工艺(溶液组成、纺丝参数)、喷丝装置、接收装置等[63],充分研究了纺丝溶液的组成、电压、溶液挤出速度和环境因素等对静电纺丝成品的影响,探究了不同参数对于纺丝工艺的优化效果,设计了多针头、无针头等喷丝装置,发明了气泡纺丝、静电离心纺丝等纺丝技术,改良了转盘接收、滚筒接收、溶液浴接收等装置。2011—2017年,随着静电纺丝技术的不断完善,学者们开始聚焦纳米纤维的后处理工作,如无机纳米纤维和金属纳米纤维的制备与应用,纳米纤维制品在生物医药、电池隔膜等领域的应用。2017年至今,对环境保护重视程度的提升带动了防护过滤材料的兴起,有关静电纺丝纳米纤维的过滤及吸附性能的研究方兴未艾。静电纺丝纳米纤维在有机污染物、重金属离子的吸附去除和在海水淡化、粉尘过滤方面的应用成为该领域内的一大前沿方向[64-65]。然而,学者们对静电纺丝过程中的溶剂问题,纳米纤维及其薄膜的力学问题关注较少。2022年,工业与信息化部、国家发展和改革委联合发布的《两部委关于产业用纺织品行业高质量发展的指导意见》中明确了静电纺丝非织造布是行业提升的重点领域,强调优化静电纺丝设备及工艺,实现静电纺丝非织造技术装备产业化[66]。可见静电纺丝产业化备受重视。溶液纺丝过程中广泛使用的有机溶剂,无序纳米纤维膜的厚度均匀性、重复性和强力成为静电纺丝研究的关键。

表3 静电纺丝关键词突变Table 3 Electrospinning keyword mutation

由关键词聚类和突变词分析结果可知,静电纺丝研究取得了较大进展,为纺织材料技术难题的解决和纳米纤维新材料的应用打下了良好基础。随着相关研究的演进,近年来静电纺丝技术研发更加注重新材料的应用和规模化生产与应用,并在不断开拓新的应用场景过程中更加注重环保。

3 结论与展望

使用文献计量方法分析了国内静电纺丝领域5 890篇中文论文,从发文量的角度,可将国内静电纺丝研究划分为3个阶段,即萌芽阶段、热度升温阶段及持续繁荣阶段。魏取福、丁玉梅、覃小红、李秀艳及熊杰等学者在静电纺丝研究领域长期耕耘,具有较大影响力。本领域主要作者之间的合作形式具有群体内部合作密度大、群体间合作密度小的特点。当前国内参与静电纺丝领域科研的机构多为高校。东华大学、天津工业大学、江南大学、北京化工大学、苏州大学以及浙江理工大学是在发文量和被引频次方面最出色的6个机构。静电纺丝的研究主题呈现出明显的阶段式演化特征。目前,国内在静电纺丝领域的研究主要集中在纤维的制备(涉及纺丝装置改进、工艺参数的探讨和新静电纺丝手段),及纳米纤维在生物医药、空气过滤、水处理、能源器件、防护、传感等领域的应用两方面。

未来可从以下3个方面做进一步研究,以促进静电纺纳米纤维材料的产业化应用。1)如何实现环境友好且规模化的制备,使其满足产业化应用的要求。典型的溶液静电纺丝过程中,纺丝溶液通常含有毒或腐蚀性的有机溶剂,无序纤维膜厚度均一性、可重复性难以保障。2)如何提高纳米纤维及其薄膜的力学性能,使其满足后期加工和应用的要求。例如,将纳米纤维膜与其他基材有机结合,提高其力学性能和结构稳定性。此外,研究纳米纤维集合体本身的力学性能将更具意义。3)如何灵活设计纳米纤维材料,使其满足不同应用场合。例如,在组织工程领域,增加纳米纤维集合体的孔尺寸,调控其孔分布,使细胞能深入到支架内部;在能源领域,利用纳米纤维材料优化电池的电极和隔膜,进一步提高器件电化学性能、导电性、热力学与电化学稳定性等。