靜電紡絲技術制備納米纖維的影響參數研究進展＊

周建華，陳鋒，丁玎

靜電紡絲技術制備納米纖維的影響參數研究進展＊

周建華，陳鋒，丁玎

（北華航天工業學院 建筑工程學院，河北 廊坊 065000；河北省航天遙感信息處理與應用協同創新中心，河北 廊坊 065000）

闡述了靜電紡絲技術的原理，總結了聚合物溶液參數、工藝參數及環境參數三個方面對靜電紡絲技術制備納米纖維結構的影響及近年來在此方面的研究成果，并對靜電紡絲技術今后的發展方向提出了建議。

靜電紡絲；納米纖維；聚合物參數；工藝參數

納米纖維是指直徑為納米尺度而長度較大的具有一定長徑比的線狀材料，在納米尺度上，一些材料具有很多特殊功能，比如體積效應、表面效應、量子尺寸、量子隧道、介電限域等，使得納米材料已在人們的工作和生活中得到廣泛應用。目前，制造納米纖維的方法有很多，主要有拉伸法、模板合成法、自組裝法、微相分離法和靜電紡絲法等。其中靜電紡絲法以操作簡單、適用范圍廣、生產效率相對較高等優點而被廣泛應用。

1 靜電紡絲技術的原理

1934年，FOMALAS[1]設計了一套聚合物溶液在強電場作用下噴射進行紡絲的實驗裝置，并詳細介紹了利用高壓靜電制備聚合物纖維的原理，這成為靜電紡絲技術制備纖維的開端。

靜電紡絲的基本設備包括高壓電源、帶噴絲針頭的注射器和接地的接收裝置。聚合物溶液在高壓電場的作用下，從噴絲針頭中擠出形成小液滴，液滴受表面張力與電荷間的庫倫斥力共同作用。隨著電場力的增加，液滴逐漸被拉長，如果電場強度持續增加，帶電液滴所受的庫倫斥力便可克服表面張力，形成噴射細流，向接收裝置加速鞭動并拉伸，在此過程中纖維慢慢變細、溶劑迅速揮發，最終形成具有固態性質的纖維。

2 靜電紡絲技術制備納米纖維結構的影響因素

靜電紡絲過程看似簡單，但其影響參數眾多，涉及內容豐富，大致可分為聚合物溶液參數、工藝參數及環境參數三個方面。

2.1 聚合物溶液參數

2.1.1 聚合物的相對分子質量

聚合物相對分子量的高低是決定能否進行電紡得到納米材料的一個重要因素。高分子量聚合物分子間的相互作用及分子鏈間的相互纏結可增加溶液黏度，較容易通過靜電紡絲制得纖維材料，但余陽等[2]通過實驗發現，隨著靜電紡絲過程中溶劑的揮發，紡絲溶液中PAN分子量越大，則PAN大分子纏結作用會更大，當纏結作用大到一定程度則有可能影響靜電紡效果。因此，大分子的纏結作用也可能是造成PAN不可紡的重要原因。分子量過低的聚合物溶液的黏度和表面張力較低，導致從泰勒錐頂噴出的射流霧化成小液滴，即形成了靜電霧化過程，只能得到氣溶膠或者聚合物微球，所以小分子溶液不適宜作為靜電紡絲液。

2.1.2 聚合物溶液的濃度和黏度

溶液的濃度過低會導致其黏度極低，導致高分子鏈之間的纏結作用減弱，射流自身的表面張力減小，射流所受的電場力增加，則不能獲得穩定而連續的射流，甚至無法形成射流而變成液滴，從而得到“串珠”或“紡錘狀”纖維。趙敏等[3]選取了0.263 kg/L、0.338 kg/L、0.425 kg/L、0.526 kg/L這4種質量濃度的PVP/乙醇溶液，采用自制點對點的靜電紡絲裝置進行實驗，結果表明，當溶液質量濃度為0.263 kg/L時，得到的纖維膜有許多串珠，當溶液的質量濃度增加到0.338 kg/L、0.425 kg/L后，串珠迅速減少，幾乎不可見。

如果溶液的濃度升高則其黏度隨之增大，使納米纖維不能充分的拉伸細化，導致得到的纖維直徑變大且直徑分布變寬。汪成偉[4]在其他工藝參數相同的情況下，分別采用質量濃度為0.04 g/mL、0.06 g/mL和0.08 g/mL的PVP聚合物溶液進行電紡實驗，得到的納米纖維平均直徑分別為518 nm、609 nm、740 nm。如果繼續增加溶液濃度，導致其黏度過大，溶液將會因溶劑量過少而在噴口處凝結堵塞針頭，造成不可紡。每種聚合物溶液都有其最佳的可紡黏度范圍，在可紡的黏度范圍內逐漸增大溶液的濃度，提高黏度，才能得到理想的纖維形態。

2.1.3 聚合物溶液的表面張力

由靜電紡絲的原理可知，當靜電力大于溶液的表面張力時才能形成噴射細流，且在噴射過程中，表面張力促使射流形成串珠結構，而靜電力可促進射流拉伸變細。因此，可通過降低溶液的表面張力來提高紡絲效果。通常采用加入表面張力低的溶劑或添加表面活性劑的方法來降低表面張力。唐珊等[5]向溶質質量分數為15%的聚苯乙烯（PS）/N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中添加質量分數為1.4%的陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），使其表面張力從49.29 mN/m降低至47.12 mN/m。

2.1.4 聚合物溶液的導電性

靜電紡絲是在高壓電場下完成的，所以要求聚合物溶液必須具有導電性，否則靜電力將無法克服表面張力，形成射流。可通過選擇高導電性的溶劑和加入鹽或電解質來提高紡絲液的導電性。喻祺[6]等在研究不同離子液體對聚丙烯腈（PAN）/N，N-二甲基甲酰胺（DMF）電紡溶液性質的影響時發現，離子液體添加量為1～10 mol/L時，溶液電導率隨離子液體添加量的增加而大幅度提高。此后，隨離子液體含量的增加，離子液體出現了結晶析出并黏附在纖維表面的現象，使PAN纖維表面由光滑轉變為粗糙。這是由于導電性的過度增加，導致電場力過大，針頭噴射出來的溶液量增加，紡絲過程中溶劑不能完全揮發，纖維氈上出現大量“液堆”，無法成纖，可見導電性不是越強越好。

2.2 工藝參數

靜電紡絲過程中，可通過調節工藝參數制備不同形貌的納米纖維。這些參數主要包括：電壓、固化距離、溶液推進速度等。

2.2.1 電壓

增加電壓可以使紡絲更容易進行，有利于形成直徑較小的納米纖維。但電壓過大將會提高射流的不穩定性，增加射流在電場中的運動速度，縮短其在靜電場中的停留時間，導致纖維的直徑增大。王龍[7]通過實驗研究了在四個不同電壓（24 kV、28 kV、30 kV、34 kV）下進行靜電紡絲，對PCL/PLA納米纖維的形貌的影響，當電壓從24 kV升到28 kV時，纖維的平均直徑減小，從（211±60）nm降低到（145±33）nm；電壓從28 kV升高到30 kV時，射流的不穩定性提高，導致纖維的直徑增大，從（145±33）nm增大到（209±63）nm；當電壓繼續增大到34 kV時，導致纖維中存在較多的串珠，也使纖維的直徑加粗。

2.2.2 固化距離

固化距離指噴絲頭與接收裝置之間的距離。固化距離的大小同時影響著電場強度和射流中溶劑的揮發程度。固化距離增加，電場強度減小，射流被拉伸的時間延長，溶劑揮發較徹底，有利于形成小直徑的納米纖維；固化距離縮短，雖然電場強度增大，但拉伸時間減小，溶劑揮發不徹底，纖維易出現并溶現象或呈扁平狀[8]。

2.2.3 溶液推進速度

溶液推進速度過慢或過快均不利于納米纖維的形成，但在一定范圍內所得納米纖維的直徑隨推進速度的增加而增大。蔡志江[9]通過實驗證實了該結論，他將溶液推進速率從1 mL/h增加到3 mL/h，則纖維平均直徑從372 nm增大到413 nm。這是由于纖維所受靜電拉伸力不變，纖維總長度也保持不變，當推進速率增大，增加的溶質就會在纖維直徑上體現，表現為纖維直徑增大。

2.3 環境參數

環境參數主要是指靜電紡絲過程中的溫度和濕度，溫濕度的變化會對前文中提到的聚合物溶液參數產生一定的影響。例如，溫度升高會降低溶液的黏度和表面張力，提高溶液的導電性，也會促進溶劑的揮發。濕度則主要影響電紡過程中聚合物射流上所帶電荷的耗散速度。當濕度較高時，射流上的電荷在紡絲過程中耗散過快，導致聚合物在電場中受到的牽伸作用減弱；濕度過低，溶劑揮發過快會導致溶液在噴絲頭位置干燥，容易堵塞針頭，使紡絲無法順利進行。劉偉偉[10]分別選取200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃的料筒溫度對熔體進行靜電紡絲制備聚丙烯（PP）納米纖維，隨著料筒溫度的升高，得到的PP纖維平均直徑逐漸減小。

3 結束語

靜電紡絲過程中眾多參數都會對纖維的結構、形貌、直徑的大小及分布的均勻度產生影響。近年來，雖然已有很多對電紡各個影響參數的研究報道，但值得注意的是這些參數對紡絲過程的影響并不是獨立單一的，而對于參數間的關系及它們的聯合作用還鮮有報道。因此，對紡絲操作條件進一步優化，生產出形態可控、性能優越的納米纖維是今后研究的重點。

［1］FOMHALAS A.Process and apparatus for preparing artificial Threads ［P］.US Patent Specification：1975504，1934.

［2］余陽，陳泉源，周美華，等.不同分子量聚丙烯腈的制備及其高壓靜電紡絲研究［J］.高分子通報，2012（2）：64-72.

［3］趙敏，潘福奎，郭憲英.PVP/乙醇體系下的靜電紡絲工藝參數對成纖性狀的影響［J］.青島大學學報（工程技術版），2011，26（2）：43-50.

［4］汪成偉.基于靜電紡絲技術的納米纖維制備工藝及其應用研究［D］.蘇州：蘇州大學，2016.

［5］唐珊，樊煒煒，劉傳桂，等.不同表面活性劑對靜電紡絲超細納米纖維的性能影響［J］.輕工機械，2018，36（3）：1-7.

［6］喻祺，邱志明，程慰，等.離子液體對靜電紡絲成型及電紡纖維形貌的影響［J］.材料導報，2011，25（21）：24-28.

［7］王龍.靜電紡絲法制備PCL_PLA納米纖維及其在生物材料方面的研究［D］.廣東：廣東工業大學，2013.

［8］李欣，孟家光，門明峰.纖維素/PVA再生纖維靜電紡絲影響因素［J］.上海紡織科技，2017，45（10）：28-30.

［9］蔡志江，賈建茹，郭杰，等.靜電紡絲制備聚吲哚導電納米纖維及其性能表征［J］.高分子材料科學與工程，2016，32（1）：137-141.

［10］劉偉偉.熔體靜電紡絲法制備高分子纖維材料的實驗研究［D］.青島：青島科技大學，2013.

TQ340.64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.013

2095－6835（2019）16－0034－02

周建華（1982—），女，講師，主要從事環境污染防治方面的研究工作。

北華航天工業學院青年基金項目（編號：KY201705）；廊坊市科技支撐計劃項目（編號：2018013129）；北華航天工業學院博士科研啟動基金（編號：BKY201602）；北華航天工業學院青年基金項目（編號：KY201847）

〔編輯：張思楠〕