高效無針靜電紡絲研究進展

王飛龍+邵珠帥

摘要：靜電紡絲納米纖維具有優越性能，在眾多領域均有應用價值。由于傳統針式靜電紡絲效率較低，電紡納米纖維并未在實際中得到應用。無針靜電紡絲作為一種新型電紡方式，具有較高的納米纖維生產效率。本文主要介紹近年來無針靜電紡絲技術的研究進展。

關鍵詞：無針靜電紡絲；納米纖維；產業化

中圖分類號：TQ 340.64 文獻標志碼：A

Recent Development of Efficient Needleless Electrospinning Technology

Abstract： Electrospinning is a well-known method to produce nanofiber which has some special characteristics and wide applications. However， due to the low production efficiency， conventional electrospinning process which uses needle to generate nanofiber encounters difficulties in practical applications. Needleless electrospinning technology is regarded as a new spinning mode and has shown potentials in industrialization of nanofibers. This paper mainly introduced some recent developments of this technology.

Keywords： needleless electrospinning； nanofiber； industrialization

盡管擁有眾多優點，靜電紡絲技術近年來并未得到廣泛應用，傳統針式靜電紡絲的產量較低是主要原因之一。增加針頭個數可以提高靜電紡絲產量，然而噴絲頭尺寸會隨之增大，造成設備的體積龐大。另外，為解決針頭堵塞和溶液回收問題需引入相關設施，會造成設備的結構復雜。近年來，無針靜電紡絲的出現為其實現產業化提供了新的思路。由于噴射流在溶液表面自發形成，無需毛細作用力影響，無針靜電紡絲的產量得到極大提高。

早在1979年，Simm便提出無針靜電紡絲并以金屬環取代針頭實現靜電紡絲，然后以此方法制備纖維膜，但該技術在當時并未引起重視。2004年，捷克利貝雷茨技術大學與Elmarco公司合作開發了靜電紡絲技術 —— Nanospider（“納米蜘蛛”），無針靜電紡絲再次進入人們視野并在此后得到快速發展。

無針靜電紡絲是利用高壓電場在自由液體表面直接形成噴射流的紡絲方法。雖然和傳統針式靜電紡絲存在明顯區別，但仍屬于靜電紡絲范疇。在無針靜電紡絲中，噴絲頭對于泰勒錐形成、紡絲過程、纖維形貌以及生產效率具有重要影響。根據噴絲頭工作機理的不同，本文將無針靜電紡絲分為靜態和動態兩類分別進行介紹。

1 動態無針噴絲頭

動態無針噴絲頭一般通過機械運動來促進噴射流的形成。2003年，捷克利貝雷茨技術大學Jirsak等采用圓柱噴絲頭實現靜電紡絲并在2004年推出世界上首款面向工業生產的無針靜電紡絲設備（表1（a））。該噴絲頭部分浸入在電紡溶液中，通過自身轉動將溶液附著并帶動溶液至紡絲區域而形成噴射流。由于具有極高產量和噴射流形成于合理區域等優點，無針靜電紡絲技術迅速引起廣泛關注。

2010年，Lu等采用錐形金屬作為噴絲頭實現了高效靜電紡絲（表1（b））。實驗中，利用供液裝置將溶液噴涂在錐狀噴絲頭的外表面。旋轉噴絲頭，帶電液滴在離心力作用下發生形變。當電壓達到一定值后，噴絲頭底端形成大量噴射流。相比傳統針式靜電紡絲，該系統的紡絲產量提高了近千倍。研究發現，為了得到穩定的紡絲過程，噴絲頭轉速不應低于50 r/min。另外，增加電壓不僅能夠提高纖維產量，而且可以細化纖維。增加噴頭轉速和電壓值均可提高纖維產量，不過所得纖維的品質較差。

Tang等提出噴灑式無針靜電紡絲方法（表1（c））。在紡絲過程中，利用分配器將溶液灑在圓柱噴絲頭表面，液滴隨噴絲頭旋轉進入紡絲區后形成大量噴射流，紡絲產量約是傳統針式靜電紡絲的24 ～ 45倍。由于噴射流直接由液滴激發形成，所需臨界電壓較小。該方法較為靈活，便于通過增加噴絲頭尺寸來提高纖維產量。其最大缺點是紡絲間斷進行，得到的纖維比較粗糙，直徑范圍約在100 ～ 400 nm之間。

Niu等采用螺旋線圈作為無針噴絲頭獲得較高紡絲產量（表1（d））。研究發現，線圈周圍的電場分布較為集中，所得纖維的形貌更加均勻。增加線圈的長度和直徑或者減小線圈節距均可以提高纖維產量。當電壓由45 kV增加到65 kV時，紡絲產量由2.94 g/h提高到9.42 g/h。與圓柱噴絲頭相比，螺旋線圈噴頭所需臨界電壓較低，紡絲產量和纖維品質更高。該方法對于靜電紡絲產業化研究具有重大的指導意義。

2012年，Forward等采用電極絲作為噴絲頭，如表1（e）所示，該電極絲均布在尼龍碟片上。在重力、表面張力、粘性力和慣性力共同作用下，附著在電極絲表面的溶液形成顆粒狀。施加電場后，電極絲表面便會形成多條噴射流。該小組針對液滴的形成以及溶液性質和過程參數對紡絲效率的影響進行了深入的研究，結果發現增加電壓或轉速均可以提高紡絲產量。

2013年，Sun等通過控制溶液在圓柱噴絲頭上的分布使纖維品質得到提高。如表1（f）所示，由于紡絲溶液帶狀分布在噴絲頭表面，噴射流激發位置及其運行方向可得到有效控制。研究發現，改進后圓柱無針靜電紡絲所需臨界電壓降低，過程更加穩定。利用該方法得到的纖維品質明顯提高，平均直徑約為205 nm，與此同時紡絲產量并未受到影響。

與多針噴絲頭相比，動態無針噴絲頭不僅無針頭堵塞問題，而且紡絲效率較高。由以上分析可以發現，無針噴絲頭的結構對于紡絲所需電壓、紡絲過程穩定性、纖維形貌以及紡絲效率具有重要影響。通過對噴頭結構優化設計，動態無針噴絲頭的效率可以進一步提高。基于動態無針靜電紡絲技術，一些企業推出了面向工業的靜電紡絲儀器，例如Elmarco和Fnm公司。

2 靜態無針噴絲頭

靜態無針噴絲頭一般借助重力、磁力或氣體壓力等實現紡絲。Yarin等（2004年）利用磁場激發噴射流實現無針靜電紡絲（表2（a））。這種無針噴絲頭屬于雙層結構，下層為磁流體，上層為紡絲溶液。在磁場力，磁流體會形成突起。與此同時上層紡絲溶液會隨磁流體形成波浪狀。施加電場后，突起位置便會形成噴射流。相比針式靜電紡絲，該無針靜電紡絲的效率更高。然而，所得纖維比較粗糙，直徑差異較大。由于噴絲頭結構相對復雜，該無針靜電紡絲技術沒能得到推廣。

2007年，He等首次提出氣泡靜電紡絲（表2（b））。在紡絲溶液中注入壓縮氣體，溶液表面會產生氣泡。由于氣泡表面的電場分布更加集中，噴射流會最先在氣泡表面形成。研究發現，氣泡個數越多，紡絲效率越高。通過調節氣壓和溶液濃度可以有效控制紡絲過程。另外，溫度是決定氣泡表面張力大小的關鍵參數，對紡絲效率和纖維品質具有重要影響。通過增加濕度可以減小氣泡的表面張力，不僅節約能耗還可以得到更好的纖維。

2009年，Wang等采用錐形線圈作為無針噴絲頭實現高效靜電紡絲。該錐形線圈不僅作為噴絲頭，而且還是溶液存儲器。施加電場后，紡絲溶液從線圈間隙流出并形成大量噴射流，紡絲產量較單針靜電紡絲有較大的提高。由于錐形線圈能夠形成均勻電場，紡絲過程比較穩定，得到纖維的品質較好。然而，由于噴射流間歇產生，該系統無法實現連續紡絲。此外，線圈尺寸不宜太大，限制其生產規模。

2010年，Thoppey等直接采用金屬板作為噴絲頭實現無針靜電紡絲。在紡絲過程中，該平板傾斜放置，如表2（d）所示。將紡絲溶液滴在平板上，液滴會在重力作用下向下流動，當溶液到達平板底邊時便會激發為噴射流。所得纖維和傳統針頭靜電紡絲得到的纖維品質相當，但產量有了很大提高。該系統具有結構簡單、便于操作、成本低等優點。不過由于溶液粘性和表面張力的影響，液滴流速難以提高，制約了紡絲效率提高。由于紡絲溶液屬于間歇供給，紡絲過程無法持續進行。

在平板噴絲頭基礎上，Thoppey等于2011年提出了碗狀無針靜電紡絲系統。該噴絲頭可以認為是將平板折彎為圓形，不僅作為噴絲頭，同時還是溶液蓄液池（表2（e））。施加電場后，噴絲頭邊緣會形成大量噴射流。當溶液充足，紡絲過程能夠持續較長時間。所得纖維的品質和傳統靜電紡絲基本一致，紡絲效率大約是傳統紡絲的40倍。實驗發現，降低溶液粘度（影響噴射流間干擾）和表面張力（影響噴射流數量），可以提高紡絲產量。與此同時，為了保證較好的纖維品質，溶液粘度（影響纖維細化）和表面張力（影響纖維形貌）不能低于臨界值。此外，噴射流的干擾不僅和電場強度有關，還與噴射流自身的直徑相關。

2013年，Jiang等提出一種金字塔式階梯狀無針噴絲頭（表2（f））。該噴絲頭是基于Thoppey的碗狀噴絲頭理論，可以認為是將不同直徑的碗狀噴絲頭疊加而成。電紡溶液經供液泵持續注入噴絲頭，保證各個邊緣均被溶液覆蓋。施加一定電壓后，大量噴射流會從各個尖邊激發，紡絲效率約為傳統針式靜電紡絲的100倍。研究發現，在其他條件一定時，通過提高電壓值可以使纖維產量進一步提高。

3 總結

高效無針靜電紡絲在靜電紡絲技術走向產業化的研究中展現出巨大的潛力，其中一些技術已經實現產業化。目前，有關無針噴絲頭的研究仍處于起步階段，暫未出現工業化水平的儀器。由于缺少理論基礎，這些技術在走向工業化途中會面臨巨大挑戰?？紤]到成本、效率、質量和安全等問題，一些關鍵工藝參數仍需深入研究。

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