靜電紡絲技術的應用與發展趨勢

張競之

摘 要：隨著納米技術的不斷發展，靜電紡絲技術應用的范圍也越來越廣泛，其發展前景也十分的廣闊，首先介紹了靜電紡絲技術制備納米纖維的原理以及影響制備納米纖維形貌因素，然后從靜電紡絲技術在生物醫學領域、能源發電、環境保護領域中的作用進行了介紹，最后對靜電紡絲技術的發展前景進行了展望。

關鍵詞：靜電紡絲技術;納米纖維;發展前景

引言

納米技術的快速發展也讓靜電紡絲得到了世界各國研究學者的關注，直到目前依舊有越來越多的科研工作者對靜電紡絲技術進行了研究。靜電紡絲技術有著操作方便、工藝簡單、制造速度快等優點，例如從制備納米纖維來說，納米纖維一般是指直徑在1-100mm之間的超細纖維，制備納米纖維有很多種方法，例如微相分離、模板聚合法、拉伸法以及靜電紡絲等，而目前靜電紡絲技術是唯一一個能夠直接連續制備聚合物納米纖維的方法，也漸漸地在醫療、能源發電、環境保護等多個領域運用廣泛。

一、靜電紡絲技術介紹

靜電紡絲法即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法，它與傳統方法截然不同。典型的靜電紡絲裝置是由高壓治療電源、噴射裝置（如毛細管）和收集裝置組成，首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上。

靜電紡絲技術在制備納米纖維影響形貌的因素包含溶液性質，可控變量以及環境參數。溶液性質如溶液濃度、溶液粘度和電荷密度等;可控變量如靜電壓、注射速度、接受距離;環境參數如溶液溫度、氣流溫度等。

二、靜電紡絲技術的應用

（一）生物醫學領域

靜電紡絲聚合物納米纖維的生物相容性和組織結構相似在組織工程支架、藥物釋放、細胞培養等方面都得到了應用;組織工程是一個多學科交叉的領域，對生物代替品的發展改善以及保護都提供了有利的條件，靜電紡絲技術制備的納米纖維為組織工程中的細胞生長、三維新組織的生長等提供了生長的環境，而且靜電紡絲技術是一種非常簡單高效的方法;使用靜電紡絲方法，可以很容易制備出三維結構的納米纖維，所以在細胞培養方面可以運用該技術，前期也有人通過研究得出，靜電紡絲技術制備殼聚糖納米纖維膜的生物相容性良好，并且沒有毒性作用，有利于肝細胞在其表面生產，所以殼聚糖對生物反應器中細胞的活性有效的改善，并維持細胞功能;另外，核/殼結構的復合納米纖維在組織工程，藥物控釋等醫學領域上發揮的作用極為重要，與靜電紡絲相同原理的同軸靜電紡絲也是這幾年來重大的突破，與靜電紡絲的區別就在于后者使用了兩個內景不同的毛細管，從而使噴嘴噴出的材料液體分層，再經過拉伸固化成為具有核/殼結構的納米纖維。

（二）能源發電

靜電紡絲制備的高分子導電膜，例如保護典韋、經典小號、柔性傳感器等方面具有良好的應用前景;其次，電化學反應而定速度與纖維電極的表面積成正比，所以在電解質電池和高性能的電池方面同樣也可以用纖維導電膜;而通過靜電紡絲技術制備的導電纖維電池的特點具有靈敏度高、不漏液等。

（三）環境保護

環境的保護是人們一直提倡的，在紡織上，如何解決環境的問題就是要高效的以及低成本，靜電紡絲技術制備的納米纖維直徑小，所以表面活性以及表面能較大，而且它還具備良好的保持電核的能力，從而增強了纖維的經典吸附能力和阻隔性，但是纖維強度較低，單獨使用的話很難達到力學性能要求，也因此導致了范圍的限制，姚春梅等人在采用聚乳酸熔噴非織造布為基布，用靜電紡絲技術來制備乳酸纖維并覆蓋在基布上，最終得到了性能優良的過濾材料;另外，企業對紡織印染后的污水一直難以處理好，通過制備不同質量分數的聚丙烯晴納米纖維膜來精華肺水腫亞甲基藍染料，其對污水的處理效果明顯。

除此之外，靜電紡絲技術在其他的領域也有非常重要的應用，而且靜電紡絲制備的納米纖維較比于其他方法制備的納米纖維相比，在纖維直徑小、表面積大以及納米絲可以很長等方面都具有獨立無二的特征。

三、靜電紡絲技術的發展趨勢

現如今，靜電紡絲技術在傳統工業和高科技領域有了很好的應用并且有非常廣的開發潛力，可以說是靜電紡絲的理論模型研究在不斷地深入，但是因為靜電紡絲技術剛得到關注不就，其中還存在著不少的問題，例如精確描述紡絲液在靜電場中流體的不穩定性，在交流電場下Taylor錐的形成原理，以及如何運用流體動力學的研究成果使紡絲技術進一步的優化，這些問題都是值得我們研究以及探討的。

其次，在環境的保護上，靜電紡絲技術現在逐漸被廣泛使用，而它本身的弊端也隨著廣泛應用而暴露出來，例如容易對環境污染的溶劑，并且在揮發時還會是原料的浪費，生產率低，無毒環保型的納米纖維又無法及時生產出來，特別是在組織工程，生物醫學等多個領域中，所以，對這種需求越來越迫切，在這個問題中熔融型靜電紡絲技術占有著巨大的優勢，在這一方面可以持續發展。

再者，靜電方式技術發展的最終目標是制備連續有序的納米纖維、大規模生產以及商業化，但如今的靜電紡絲技術制備的納米纖維仍然達不到目標，所以在這一方面仍需要繼續發展;最后就是制備的納米纖維大多數的強力都很低，無法單獨使用，需要依賴其他的材料作為支撐，這也就局限了它的適用范圍和應用推廣，所以，對于納米纖維強力的提高也是我們未來發展的趨勢。

四、結論

靜電紡絲技術已經被廣泛的應用在了各個領域，并且也取得了巨大的成果，然而由于靜電紡絲技術的發展起步較晚，現如今仍然存在許多的弊端，例如紡絲液在靜電場中流體的不穩定性、對環境污染的減少、未能達到最終目標以及納米纖維大多數強力不高等方面，這些對于實際使用的范圍都有影響，所以在未來的持續發展中，這幾個方面將會是發展的趨勢，特別是在易生物醫學領域、能源發電以及環境保護等領域。

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