静电纺丝技术应用研究进展

贺晓亚

江西服装学院(中国)

静电纺丝技术是利用聚合物熔体或溶液在强电场中雾化，经过微小射流固化成丝的一种纤维制造工艺。1934年Formalas利用静电力制备聚合物纤维，这被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。此后，静电纺丝技术的研究发展经历了4个阶段。

第一阶段：研究主要集中在聚合物可纺性的探讨和纺丝工艺参数对纤维直径与性能的影响。

第二阶段：研究重点为静电纺纳米纤维结构与成分的分析与精细调控。

第三阶段：研究方向为静电纺纳米纤维在光电、生物医学、环境、能源等领域的应用。

第四阶段：研究的热点为静电纺丝纤维批量制造。

上述4个阶段相互交叉，并无明显的时间分界线。经过几十年的发展，静电纺丝技术在材料、装置及工艺等方面不断丰富完善：应用材料涵盖无机材料、有机材料、无机/有机复合材料；纺丝装置型号众多；工艺更加可控，成本更低。静电纺丝技术已成为有效纺制纳米纤维的一种重要手段，在耐高温材料、医学材料、环保材料及其他领域得到广泛应用。

1 静电纺丝技术在制备耐高温纳米纤维中的应用

耐高温材料指在温度超过1 580 ℃仍能保持其原有的化学与物理性能稳定性的材料。典型的耐高温纤维材料为美国杜邦公司于20世纪60年代开发的芳纶纤维。纳米纤维较高的表面能使其具有量子尺寸效应、界面与表面效应及小尺寸效应等，从而具有较好的耐高温性能，被广泛应用于传感器、吸附过滤、电池隔膜等[1-2]领域。目前，常见的耐高温纳米纤维可分为无机类耐高温纳米纤维与高聚物类耐高温纳米纤维两大类。

1.1 无机类耐高温纳米纤维

无机类耐高温纳米纤维以无机陶瓷纳米纤维为代表，具有抗氧化、耐腐蚀、耐高温、比模量高等优点，成为近年来备受关注的新型材料[3]。

目前，静电纺无机陶瓷纳米纤维的生产工艺流程由3个环节组成：配制无机与有机电纺复合纺丝液、纺制无机有机杂化电纺丝、高温煅烧除去有机电纺丝。利用该工艺流程，Shao等[4-6]纺制了氧化镁、氧化镍及氧化铜陶瓷纳米纤维，Viswanathamurthi等[7-8]纺制了氧化锌、氧化钯陶瓷纳米纤维。在现阶段纺制的诸多无机陶瓷纳米纤维中，氧化铝纳米纤维性能突出，熔点高达2 040 ℃，且质量轻，力学性能、抗氧化性与耐化学腐蚀性强。

1.2 高聚物类耐高温纳米纤维

常见的高聚物类耐高温纳米纤维有含氟类、咪唑类与酰胺类3类高聚物纳米纤维。氟原子半径小，电负性大，赋予含氟聚合物化学惰性、耐油且热稳定性高等特点。研究表明，含氟高聚物在200 ℃以下形变较小，工作热稳定性较好。Xiong等[9]以聚四氟乙烯(PTFE)与聚乙烯醇(PVA)为原料(PTFE与PVA质量比为5∶1)，静电纺制得纳米纤维膜，该纤维膜经390 ℃高温处理后，PVA被去除，PTFE纤维仍保持原形貌。聚苯并咪唑由二元酸与四元铵盐酸盐或四元胺缩聚而成，耐温高达400 ℃以上。Li等[10]利用静电纺丝法制备了聚苯并噁嗪改性聚苯并咪唑纤维，提高了聚苯并咪唑的耐高温性，其纳米纤维在160 ℃无水状态下的导电率高达17 S/cm，是较理想的电池传导材料。酰胺类高聚物是目前制备耐高温有机材料的主要原料，可分为聚砜酰胺、聚酰亚胺与芳香族聚酰胺。聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)具有优异的弹性模量、热稳定性及耐酸碱性。Srinivasan等[11]采用浓硫酸溶解PPTA，配制其低浓度溶液，再利用静电纺丝技术成功制备耐高温PPTA纤维膜。随着静电纺丝技术的进步，越来越多的耐高温纤维材料被成功制备，加速了耐高温材料的发展。

2 静电纺丝技术在医学材料领域的应用

研究表明，静电纺纳米纤维具有较强的生物相容性及较大的比表面积，适合作为生物医学材料应用于药物控释、组织工程等领域。

2.1 药物控释

药物控释体系可对药物释放的速率进行控制，提高药效在机体内的持续时间，减少多次用药带来的痛苦。药物控释方式有2种：一是利用高聚物制备微胶囊的核壁，将药物作为微胶囊的核芯，从而制备成核壳结构微胶囊；二是将药物与纺丝液混合均匀后采用静电纺技术制备载药纳米纤维[12-13]。传统药物缓释主要是通过微胶囊进行控制，静电纺技术相比传统微胶囊技术，具有药效持久、靶向定位率高、毒副作用小等优点。Kiatyongchai等[14]综合利用上述2种控释方式制备的核壳载药纳米纤维，在人工胃液环境下，所载药物的半衰期由原来的5 h延长至24 h。

2.2 组织工程支架

静电纺丝技术在组织工程中的应用主要集中在骨、血管、神经、皮肤组织工程支架及伤口愈合辅料。静电纺丝材料可作为组织工程支架材料的主要原因[15]如下：

——可使纳米纤维定向排列从而引导细胞的定向生长与迁徙；

——可通过加工工艺与对材料调控，使其与机体达到良好的生物相容性与降解性；

——具有较高的比表面积和孔隙率，适合细胞的增殖；

——可仿生制备与人体内天然细胞外基质(ECMs)结构高度相似的支架材料。

静电纺骨细胞支架不仅能很好地支持矿化组织形成，还能保持自身结构的稳定。Ngiam等[16]发现PLGA-胶原蛋白纳米纤维经羟基磷灰石矿化后，静电纺纳米纤维对成骨细胞具有分化作用。Yuan等[17]制备的三维管状支架与人体血管组织分布状态相似，其由内向外的3层分布结构更有利于细胞的增殖与分布。贺梨萍[18]采用同轴静电纺丝法制备的神经组织工程支架，所载双营养因子具有引导生长与增殖细胞的作用，对修复长距离神经缺损有较广阔的应用前景。静电纺丝技术制备的纳米纤维具有大比表面积、高孔隙率等特点，为细胞的增殖与转移提供了良好条件，因此其在伤口愈合方面也具有较大优势。Chen等[19]使用乙酸、环氧乙烷、壳聚糖及骨胶原纺制纳米纤维绷带，用于老鼠伤口，并与胶原蛋白海绵和棉纱布对比，发现所得纳米纤维对伤口的愈合效果优于胶原蛋白海绵和棉纱布。

3 静电纺丝技术在环保材料领域的应用

静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有比表面积大、空隙率高、连续性好及纤维膜孔径小等特点，对有机染料、重金属、油脂等有较高的吸附作用，应用于生物过滤、空气净化、污水处理等领域，处理效果较普通过滤材料均有不同程度提升，在环保领域应用前景广阔。Ma等[20]利用聚偏氟乙烯与聚乙烯亚胺为原料纺制的纳米纤维膜，对甲基橙染料的吸附量高达633.3 mg/g。Li等[21]纺制的多孔碳/TiO2纳米纤维膜，对伊红、甲基橙、亚甲基蓝及刚果红染料具有较好的吸附能力。万和军等[22]利用天然棕色棉纤维经静电纺丝制备的纳米纤维素膜，对Cu2+的吸附能力为普通原棉的3～5倍，且可在16 s内完成吸附，极大地改善了吸附效果与吸附效率。Guan等[23]开发的聚甲醛(POM)纳米纤维材料、曾良滨等[24]开发的聚丙烯纤维材料及Tai等[25]开发的碳硅纳米纤维材料对油脂均具有较好的吸附效果，为回收治理海上泄漏的石油开辟了新的思路。近年来，采用静电纺丝技术制备纳米纤维过滤材料的研究聚焦于PM 2.5过滤材料，如Leung等[26]对制备的多层聚氧乙烯纳米纤维膜进行空气过滤试验，证实了多层纳米纤维膜具有良好的空气灰尘过滤性能。

4 静电纺丝技术在其他材料领域的应用

除上述应用领域之外，静电纺丝技术也应用于电子元件、防护服、复合材料及吸声材料等其他领域。Zhang等[27]利用静电纺丝技术纺制聚天冬氨酸纤维膜，并将其应用于传感器，使传感器在碱性环境中对Cu2+的检测灵敏度精确至0.01 mg/L，极大提高了测量的准确性。Sargazi等[28]采用静电纺丝技术制备的纳米非织造膜，对阻止有毒气体物质吸入人体具有较好的效果。在复合增强材料方面，由于静电纺纳米纤维分子排序整齐，比表面积大，其作为复合材料的填充材料，发生机械互锁几率高，能够在很大程度上提高复合材料的剪切强度。静电纺纳米纤维还可用作吸声材料，Elmarco公司利用静电纺技术制备的纳米纤维吸声材料优于传统吸声材料[29]。随着技术的进步，静电纺纳米纤维的应用将更加广泛。

5 结语

静电纺丝技术，操作简单，成本低廉，具有很强的实用价值，应用前景广阔。随着中国政策支持与科研工作者的持续关注，以及静电纺丝材料相关企业对静电纺丝生产资金与技术投入的增加，中国静电纺丝技术呈迅速发展态势。目前在中国与静电纺丝相关的科研院所和企业已覆盖30余个省、市、区。尽管静电纺丝相关企业在自主研发能力、批量生产及生产工艺参数控制等方面还有很大的改善空间，但随着“中国制造”的发展，静电纺作为一种新型加工技术，必将走向规模化生产，以满足市场对环保、节能及多功能纳米纤维产品的需求。