靜電紡納米纖維材料的發展現狀與應用

青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071

傳統納米纖維主要指微米級(1.000～10.000 μm)纖維[1]，涉及神經纖維、超細纖維。而近幾年逐漸發展的納米纖維主要指亞微米級(0.100～1.000 μm)纖維[2]，涉及膠原蛋白原纖、靜電紡纖維、熔噴納米纖維、復合紡納米纖維、碳納米纖維等；還指納米級(0.001～0.100 μm)纖維[3]，涉及細菌纖維素纖維、金屬納米線、碳納米管纖維、靜電紡纖維、復合紡納米纖維等。纖維直徑的細化是纖維材料發展的主要趨勢之一。纖維經細化后具有直徑小、孔隙率高、孔徑小、比表面積大等優點[4]。靜電紡絲設備是一種可以生產超細納米纖維或微納米纖維的設備。利用靜電紡絲設備制得的纖維細長且表面光潔，并具有較大的比表面積[5-6]。目前，作為納米纖維的基礎，靜電紡纖維已成為應用研究的熱點。

1 靜電紡納米纖維的優勢

靜電紡納米纖維屬超細納米纖維。超細納米纖維的生產方法主要包括以下四種：

(1) 靜電紡絲法。目前，靜電紡納米纖維在向產業化方向發展的同時，也逐漸在向功能化的方向發展。靜電紡納米纖維種類多樣，主要包括靜電紡皮芯結構納米纖維、靜電紡高力學性能聚丙烯腈納米纖維、靜電紡功能纖維、靜電紡可降解納米纖維等[7]。

(2) 熔噴法。熔噴法是目前最常規、使用最廣泛的方法之一[8]。

(3) 溶液噴射法。該方法是靜電紡絲法與熔噴法的集成，制備的纖維具有比靜電紡絲法更細的直徑和更高的效率[9-10]。

(4) 離心法。

其中，靜電紡絲法作為目前最熱門的生產方法之一，正在向量產化的方向發展。

靜電紡納米纖維優勢明顯，主要體現在可紡原料廣泛、結構可調且形貌多樣、纖維比表面積大等方面[11]。

1.1 可紡原料廣泛

靜電紡設備可紡原料分類及實例如表1所示。

表1 靜電紡設備可紡原料分類及實例

1.2 結構可調且形貌多樣

靜電紡納米纖維的單纖結構主要有帶狀、螺旋狀、鞭炮狀、谷粒狀、核殼狀、多孔狀等，其聚集體結構主要有無規取向型、取向型、圖案化型、二維納米蛛網型等。

1.3 比表面積大

靜電紡納米纖維直徑小、比表面積大，因此其表面能和活性大，故而會產生小尺寸效應、宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應等，這將在物理、化學方面產生特異性[12]52-56。

2 納米纖維靜電紡絲加工技術發展歷程

靜電紡絲主要是利用電場的作用，將聚合物溶液或熔體從毛細管口處抽出形成射流，經擺動、蒸發、細化等過程，得到納米級超細纖維的[13]。在靜電紡絲裝置中，噴頭類型直接影響纖維的品質、產量等，故噴頭在靜電紡絲裝備中屬核心部件[14]。傳統納米纖維靜電紡絲加工技術主要經歷了傳統單針頭式、多針頭式兩代。表2列舉了無針式靜電紡絲技術發展歷程。

表2 無針式靜電紡絲技術發展歷程

除表2介紹的之外，噴頭的形式還在逐漸多樣化，如出現了圓形飽和液面噴頭、多層圓形飽和液面噴頭、雙圓環狹縫噴頭、球形分離電場控制刷式噴頭等。靜電紡絲裝置逐漸向簡單化、高產化方向發展，且靜電紡絲裝置的更新換代使靜電紡納米纖維材料的應用領域得到逐漸擴大。

3 靜電紡納米纖維材料的應用領域

靜電紡絲技術及其設備的多樣化拓寬了靜電紡納米纖維材料的應用領域。靜電紡納米纖維材料的應用主要涉及醫療衛生、生物科技、交通運輸、環境工程、紡織服裝、能源、航天航空及其他工業領域[15]。下文就靜電紡納米纖維材料在一些主要領域的應用進行介紹。

3.1 環境工程

3.1.1 空氣過濾材料

空氣污染的逐漸加重會使得霧霾影響的范圍逐漸擴大且持續時間逐漸延長。PM2.5不僅會嚴重影響環境和機械設備，帶來內部灰塵、部件磨損等危害，還會進一步威脅到人體健康，如引發塵肺、心肌梗塞、血栓等[16]。

現有的商業化空氣過濾材料用纖維主要包括熔噴纖維、玻璃纖維、靜電紡納米纖維等[17]。其中，熔噴纖維直徑粗、孔徑大且過濾效率低；玻璃纖維脆性大、性能不穩定；靜電紡納米纖維具有直徑小、孔徑小、孔隙率高等特點，在過濾材料領域具有極大的應用價值[18]。市場上常見的靜電紡納米纖維過濾材料制成品主要包括納米口罩、納米纖維復合濾紙、納米纖維紗窗等。

3.1.2 水過濾材料

飲用水一旦被污染，其中會含有大量的污染物，如細菌、病毒、重金屬、農藥殘留、雜質、泥沙、鐵銹等，這會造成嚴重的危害，如引發多種疾病、影響工業生產、降低土壤質量等[19]。靜電紡納米纖維飲用水超濾材料具有親水、厚度小、孔隙率高、通量高、便于清洗、能量消耗低等優勢，利用其可有效避免飲用水污染造成的危害[20]。

3.1.3 油水分離材料

目前，頻繁發生的漏油事故及工業廢油的排放導致每年有3.2億t的油污進入水體，造成嚴重的危害，如破壞生態環境、威脅人類健康、浪費石油資源等[21]。當前，常用的油污處理方法主要有吸油氈吸附法及油水乳液膜分離法，但這兩種方法均存在吸附量小、分離精度低、使用耐久性差等問題。靜電紡納米纖維油水分離材料可以有效地解決這一問題。

3.2 防水透濕

目前，常用的防水透濕膜主要是Gore-tex的聚四氟乙烯(PTFE)雙向拉伸膜，該膜透濕及防水性能優異，但存在技術壟斷、價格昂貴、廢棄后難以回收等缺點[22]。熱塑性聚氨酯(TPU)親水性膜雖具有一定的防水性，但存在透濕性差、遇水易變形、尺寸穩定性差等缺點。靜電紡納米纖維防水透濕膜具有防水透濕性好、成本低、尺寸穩定性好、廢棄后易回收等優點。

3.3 輕質保暖

現有的天然纖維保暖材料如棉絮、羽絨等，雖具有保暖性好、天然無公害等優點，但存在易蟲蛀、資源有限、吸濕易板結等缺點；合成纖維保暖材料雖具有防腐抗蛀、濕態保暖性好等優點，但易產生靜電，舒適性較差[23]。另外，上述保暖材料均存在面密度大、回彈性差、保暖性能難以進一步提升等問題。由靜電紡納米纖維材料制成的超輕、高彈新型纖維類氣凝膠能有效解決這些不足。

3.4 生物醫療

靜電紡納米纖維材料在生物醫療領域的應用主要包括組織工程支架、醫用敷料、蛋白分離與純化材料等。

3.4.1 組織工程支架

傳統的2D細胞培養板無法模擬細胞的三維生長環境。3D多孔支架使細胞易黏附在實心孔壁上。3D微米纖維支架使細胞易黏附在單根纖維上。靜電紡納米纖維膜支架可以使細胞在纖維上均勻分布，細胞在支架中呈三維分布，且此靜電紡納米纖維膜支架具有纖維直徑小、比表面積大、孔隙連通性好、利于細胞黏附和遷移等優勢，是理想的組織工程支架材料。

3.4.2 醫用敷料

靜電紡納米纖維敷料具有吸收性好、可選擇性滲透、貼合性好、無疤痕等優勢。

3.4.3 蛋白分離與純化材料

現有的蛋白分離與純化材料主要包括凝膠顆粒材料和微米纖維膜材料。前者雖粒徑小、內部交聯多孔，但阻力壓降大、液體流速小；后者雖阻力壓降小、通量大，但負載量小[24]。通過靜電紡絲技術進行材料的結構設計和表面改性，得到的靜電紡納米纖維蛋白分離材料具有高吸附量、可循環使用等優點。

3.5 能源

3.5.1 鋰離子電池

鋰離子電池應用廣泛，其中鋰離子隔膜是鋰離子電池的核心材料之一。商業化的聚烯烴隔膜具有孔隙率低、對電解液浸潤性差、吸液能力弱、耐溫性差等缺點[25]。靜電紡納米纖維膜具有高孔隙率、高安全性等優勢，對提升鋰離子電池的性能具有重要意義。

3.5.2 超級電容器

超級電容器的核心是電極材料。目前，金屬氧化物電極材料雖然比容量高，但價格昂貴，還污染環境；導電聚合物雖然成膜性好，但熱穩定性差[26]。靜電紡碳納米纖維材料兼具導電性好、比表面積大、性能穩定等優點，是重要的超級電容器用電極材料之一。

4 靜電紡納米纖維材料的發展展望

靜電紡絲是有效制備納米纖維材料的主要途徑之一[27]。如何獲得高質量的靜電紡納米纖維材料，進一步拓寬靜電紡納米纖維材料的應用領域，以及其規模化生產等問題，都是靜電紡納米纖維材料面臨和需要解決的問題。

4.1 技術發展

靜電紡絲設備簡單、技術操作簡便，但卻不易制得高質量的納米纖維[28]151-160。設備上，噴絲頭的結構設計影響著靜電紡絲裝置的發展，同時結構的精細調控在不斷地創新著靜電紡絲技術[29] 9-12。紡絲參數設置方面，影響靜電紡納米纖維性能的參數眾多，如紡絲液的濃度、黏度、紡絲電壓、紡絲針頭與接收裝置之間的距離、溶液擠出速度、電導率、表面張力、環境溫濕度、氣流速度等[12]52-56,[30]，而這些參數對纖維的直徑及性能的影響很大，易導致靜電紡納米纖維在形態上存在缺陷[31]2223-2253。

4.2 規模化生產

盡管靜電紡絲技術具有設備簡單、操作性強、高效等優點，但由于理論與應用研究還不夠完善，尚未實現大范圍的工業化生產，目前還未完成從試驗室到流水線的過渡[32]46-49。靜電紡納米纖維的批量化制造是急需解決的問題，但目前針對靜電紡生產效率的研究較少，納米纖維的產量尚達不到大規模生產的要求[29] 9-12。

4.3 應用領域拓寬

靜電紡納米纖維材料被廣泛應用于各領域，且目前部分應用領域已進一步得到拓寬，如生物醫學領域、過濾材料領域、防護領域、新興材料領域等。

生物醫學領域是目前靜電紡納米纖維材料應用的研發熱點，如功能性膜、細胞支架、仿生材料、細胞載體、藥物傳遞等，故產業化必定是其發展方向[32]46-49。近幾年來，使用靜電紡納米纖維材料制備的組織支架，在強力和生物相容性上均得到較大的改善，能夠有效協助甚至取代原器官。因此，采用靜電紡納米纖維制成的組織支架被廣泛應用于皮膚、血管、軟骨、骨、神經等組織工程研究領域[33]。但靜電紡納米纖維支架的結構松散問題未能得到有效改善。目前，也有人采用靜電紡納米纖維對干細胞進行培養研究[34] 84-88。此外，近年來采用此技術開發出了可降解內敷料，使得生物敷料、可降解繃帶等逐漸取代了原有的外部防護用品，且可降解內敷料與生物組織有高度的相容性，不會產生感染等副作用[34]84-88。

人們對過濾材料的要求也在不斷提高，如部分水過濾材料能有效監控有害物質，還能處理廢水及水體浮油等物質[28]151-160。此外，制備功能性納米纖維過濾材料是一大趨勢，如抗菌納米纖維過濾材料等[35]。多孔結構納米材料比表面積的提高大大擴展了靜電紡納米纖維材料的應用領域，也使其在組織工程、過濾等相關領域的應用性能得到顯著提高[36]。

靜電紡納米纖維材料在防護材料中的應用也越來越廣泛。

此外，靜電紡無機納米纖維因其具有大比表面積、高耐熱性、高模量等優勢，被廣泛應用于新興材料領域。新產品，尤其是具有特殊性能的功能材料不斷被研發出來，目前正向產業化方向發展[31]2223-2253。

5 結語

當前，靜電紡絲技術及設備主要存在紡程不可控、量產提高難、聚集非有序等三方面問題。近年，已有部分靜電紡納米纖維材料產品先后實現了產業化和商業化，正逐漸向功能化、雙組分化的方向發展，相信將有越來越多的靜電紡納米纖維產品被投入到商業化的使用中。

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