我國靜電紡絲領域研究現狀及其熱點：基于CNKI數據庫的可視化文獻計量分析

蘇芳芳，經 淵，宋立新，唐志榮，d

(浙江理工大學 a.經濟管理學院,b.雜志社,c.紡織科學與工程學院(國際絲綢學院),d.史量才新聞與傳播學院, 浙江, 杭州)

靜電紡絲是使帶電且具有較高黏度的高分子溶液或熔體在靜電場中發生流動變形,再經溶劑蒸發或熔體冷卻而固化,從而得到纖維材料的一種技術[1]。該技術是當前制備納米纖維的熱門研究方向[2-3]。其中納米纖維是指纖維直徑小于100 nm的纖維材料,具有孔徑小、比表面積大、孔隙率高等特點[4],在組織工程[5-6]、生物醫藥[7-8]、電極材料[9-10]、污水降解[11-12]、噪聲處理[13-14]、防護過濾[15-16]等領域有很高的研究與應用價值。相比模板合成、相分離、自組裝等納米纖維制備工藝,靜電紡絲在裝置簡易程度、紡絲成本、可紡物質種類、纖維結構可控性、環境等方面具有顯著的競爭力[1-2]。

靜電紡絲技術起源于20世紀30年代[17]。20世紀80年代后國內學者們開始對靜電紡絲技術進行研究,靜電紡絲裝置也不斷升級換代。依據靜電紡絲的基本原理,將圍繞靜電紡絲的科學研究劃分為4個方面：1)對靜電紡絲裝置的改進。為實現納米纖維的批量化生產并適應多樣化的工業需求,靜電紡絲裝置的噴頭形態由傳統的單噴頭改良為平行排列多噴頭[18-19]、矩形排列四噴頭[20-21]、蝶形噴頭[22-23]、球形噴頭[24-25]以及螺紋式噴頭[26-27]等。接收裝置改為平行導電板、旋轉滾筒以及漏斗等多個形態,以獲取更加有序及結構優良的納米纖維[28-30]。2)研究增強體種類及質量分數對聚合物纖維結構與性能的影響。學者們致力于向溶液中加入納米纖維素晶體(CNC)[31-32]、殼聚糖(CS)[33-34]、氧化鎂(MgO)[35]、氧化石墨烯(GO)[36]、硒化釕(RuSe2)[37]、碳納米管(CNTs)[38-39]等,并探究它們用于制備復合納米纖維時的最佳質量分數。3)基于靜電紡絲法制備納米纖維材料并測試其性能,如絲素蛋白[40-41]、玉米醇溶蛋白[42]及羊毛角蛋白[43-44]等仿生蛋白的制備。4)采用靜電紡絲技術制備納米纖維材料時的功能化后處理或特殊納米纖維(多孔、無機、分級結構和三維集合體等)的制備與應用。工業上常用的后處理溶液有甲醇、乙醇及甘油等[45],后處理能夠使納米纖維具備更好的力學性能,從而滿足不同領域的應用要求[46-47]。

關于靜電紡絲技術的研究已有不少研究成果,也有學者對靜電紡絲的研究進展及應用現狀進行了綜述,這些綜述多聚焦于某一種復合納米纖維材料[48-49],或探究某一種復合納米纖維材料在既定領域中的應用[50-52]。

文獻綜述法可對一個知識領域進行專業分析,但這種研究方法受主觀因素影響較大,并且所能覆蓋的文獻數量有限。文獻計量法是使用數學和統計工具對文獻進行定性和定量分析的一種方法,是總結既定領域內當前知識結構以及量化整體科技生產力的強有力的工具[53]。相比文獻綜述法,文獻計量法可基于海量的文獻提供一個知識領域的全面認知。本文基于CNKI數據庫,使用CiteSpace可視化工具,對靜電紡絲技術研究領域的文獻報道進行計量分析,從發文量、被引量、關鍵詞、作者、發表機構等維度對靜電紡絲的研究熱點及前沿信息進行挖掘,以期全面了解國內的靜電紡絲技術研究現狀,從而為相關研究人員提供參考。

1 材料和方法

1.1 數據來源

文獻數據源于CNKI學術期刊數據庫,在“主題”字段中以“靜電紡絲”或“靜電紡”為主題詞進行檢索,得到中文文獻6 313篇,去除無作者以及預出版和非學術論文后剩余5 890篇,檢索時間為2022年7月23日。用于近期研究主題對比的國際文獻數據源于Web of Science,檢索時間為2022年8月。

1.2 研究方法

相比基礎的文獻計量學方法,可視化方法能夠直觀呈現文獻引用信息以及層次結構,并從中挖掘出復雜網絡的交互性信息[53]。使用CiteSpace可視化軟件從時間和空間兩個主維度,分析5 890篇靜電紡絲中文文獻的發文量、作者共現、機構共現及靜電紡絲領域中的研究熱點等,并與同期國際靜電紡絲的研究熱點進行對比。

2 結果與分析

2.1 發文量分析

根據發文時間統計國內靜電紡絲領域的發文量,結果如圖1所示。由于2022年的數據還不完整,在進行數據分析時剔除了該年度的數據。靜電紡絲領域的發文情況分為3個階段。1981—2002年是我國靜電紡絲技術的萌芽階段,學者們開始探索國外靜電紡絲裝置的構成和原理,每年的發文量在6篇以內;在這個階段,靜電紡絲還沒有引起學術界及行業內的廣泛重視。2003—2010年是靜電紡絲的熱度升溫階段,發文量呈逐年上升趨勢,2010年發文量達239篇;這個階段學者們聚焦于使用靜電紡絲技術制備納米纖維成品并投入應用。自2011年起靜電紡絲研究進入持續繁榮階段,發文量呈螺旋上升趨勢;自此,靜電紡絲技術受到學者的廣泛關注,研究主題逐漸豐富且具體,同時領域也不再拘泥于紡織行業,生物、制藥等領域均有涉及。總體上,靜電紡絲領域發文量呈逐年增加態勢。截至2021年12月31日,國內中文期刊在靜電紡絲領域的年發文量達574篇。

圖1 發文量隨時間變化圖Fig.1 The number of posts changes over time

2.2 作者產出與共現分析

所檢索的5 890篇靜電紡絲相關中文文獻分布在1981—2022年,由于1981—2006年的文獻量較少,分析時將時間范圍設置為2007—2022年;在CiteSpace可視化軟件中每兩年進行一次切片。結果顯示,664位學者參與了靜電紡絲的學術研究。年發文量排名前15的作者如表1所示。其中,魏取福的發文量最多(117篇),其次是楊衛民(93篇),李從舉以89篇的發文量位列第三。作者的影響力可通過中介中心度進行分析。中介中心度是指經過一個節點的最短路徑的數量,該指標是衡量節點在網絡中重要程度的關鍵指標[54]。從作者的中介中心度來看,魏取福、楊衛民和李從舉也位于前列。此外,覃小紅、丁玉梅及李秀艷3位作者的中介中心度也較高,說明他們在靜電紡絲領域有著較高的影響力。

表1 2007—2022年核心作者發文量統計

在CiteSpace可視化軟件中,設置被引頻次≥15、作者發文量≥10,繪制作者共現網絡,如圖2所示。由圖2可知,在靜電紡絲領域,分別形成了以魏取福、丁玉梅、覃小紅、李秀艷、熊杰為中心的5個分散式合作網絡關系。5個群體內部合作網絡密度大,群體間合作網絡密度小。值得注意的是,分別以熊杰、覃小紅為核心的局部網絡內部密度較小,且網絡節點中高產的作者較少,但是這兩個局部網絡之間以李妮為中介節點產生了較密切的合作關系。

圖2 2007—2022年作者共現網絡Fig.2 Author co-occurrence network in the years from 2007 to 2022

2.3 機構產出與共現分析

在CiteSpace可視化軟件中將互引頻次設置為50及以上,節點類型設置為引文年輪,繪制共現網絡,如圖3所示。結果顯示,在靜電紡絲領域,約有500家機構開展了相關的科研任務。按照發文量統計結果,影響力較大的前6所機構依次為東華大學(442篇)、天津工業大學(330篇)、江南大學(236篇)、北京化工大學(210篇)、蘇州大學(181篇)和浙江理工大學(152篇)。這6所大學是中國靜電紡絲研究的主力軍,他們分別依托東華大學纖維材料改性國家重點實驗室、江南大學生態紡織教育部重點實驗室、浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室等紡織材料重點實驗室,開展了一系列靜電紡絲技術的改良工作及復合材料的改性研究工作。其中,東華大學紡織學院、天津工業大學和蘇州大學紡織與服裝工程學院的論文被引頻次最高,說明這3所機構在靜電紡絲領域占據核心地位。從機構合作的視角分析,東華大學紡織學院和浙江理工大學材料與紡織學院、東華大學紡織學院和蘇州大學紡織與服裝工程學院、北京化工大學機電工程學院和北京服裝學院材料科學與工程學院之間的合作最為密切。此外,機構之間的合作具有地域聚集的特點,特別是同一機構的下屬部門之間的合作更為頻繁,如東華大學的紡織學院、化學化工與生物工程學院及材料科學與工程學院。

圖3 機構共現網絡Fig.3 Institutional co-occurrence network

2.4 關鍵詞聚類分析

關鍵詞是論文的高度凝練,展現了論文的核心內容[54]。因此,對文獻的關鍵詞進行分析有利于更深入地挖掘領域內的研究熱點。在CiteSpace軟件中,將節點類型設為“keyword”,選擇默認關鍵詞閾值k=25,從5 890篇文獻中共提取594個高頻關鍵詞,其中排名前25位的關鍵詞如表2所示。由表2可知,在靜電紡絲研究領域,“納米纖維”“復合材料”“聚丙烯腈”“力學性能”“復合纖維”是學者最為關注的研究方向。除“納米纖維”“力學性能”“聚丙烯腈”以外,“組織工程”“光催化”同樣具有較高的中介中心度,表明這兩組關鍵詞在靜電紡絲領域也受到較高的關注。

表2 靜電紡絲高頻關鍵詞Table 2 High frequency keywords for electrospinning

關鍵詞時間聚類是研究同一個時間線上不同關鍵詞變化的分析方法[55]。在關鍵詞聚類的基礎上,繪制關鍵詞時間分布圖,如圖4所示,其中提取的7個聚類集群置于圖4右側。由圖4可知,靜電紡絲領域的研究自始至終圍繞3#“納米纖維”這一話題。納米纖維是靜電紡絲技術的主要產物,而靜電紡絲技術是納米纖維的主要制備工藝,二者彼此依賴,不可分割。2007年年初,有學者開始研究靜電紡絲技術在0#“組織工程”中的應用。他們利用靜電紡絲技術制備膠蛋白、絲素蛋白等天然生物高分子蛋白,并著力研究生物相容性、力學性能、支架與組織的匹配和降解性能;同時,調控納米纖維及其集合體的微結構,增加纖維支架的孔徑,促進細胞向支架內部生長,而力學性能方面,主要探討支架與對應組織的匹配性。同一時段,聚類集群1#“力學性能”也備受關注。靜電紡絲納米纖維及其膜的力學強度普遍偏低,這嚴重制約了納米纖維膜的應用。為此,研究人員嘗試將納米纖維與微米纖維、織物等結合在一起,以改善納米纖維膜的力學性能。如何進一步增強靜電紡絲納米纖維或膜的力學性能和結構穩定性,仍是靜電紡絲領域需要努力的目標。與3#“納米纖維”、4#“光催化”和5#“應用”相關的關鍵詞,如“超細纖維”“微孔結構”“多孔結構”“導電率”“直徑”等的出現,表明研究人員對納米纖維結構、形貌、直徑的調控和功能化應用的重視,如光催化納米纖維膜在水處理、CO2還原、析氫等方面備受關注。纖維狀的一維結構不僅可有效傳輸載流子,還能促進催化劑的回收;多孔結構的纖維可增大催化劑的比表面積,從而提高催化的效率。此外,采用靜電紡絲技術制備的碳納米纖維及碳基復合納米纖維等在孔徑、孔隙率、比表面積、吸附性等方面有明顯優化,并在重金屬離子吸附材料,鋰離子電池、超級電容器及燃料電池的電極材料,吸音降噪材料等領域展現出良好的應用前景。6#“多針頭”的出現表明學者們對靜電紡絲裝置改良和產業化的重視。研究人員發現靜電紡絲納米纖維具有很好的電磁屏蔽性能,利用陶瓷基、碳基及其他靜電紡絲納米纖維復合材料取代傳統金屬基屏蔽材料的研究也逐漸受到關注。

圖4 國內文獻關鍵詞時間分布圖譜Fig.4 Keywords time distribution atlas of domestic literature

由于CNKI數據庫基本覆蓋了靜電紡絲領域主要的中文文獻,基于CNKI數據庫的關鍵詞進行聚類分析可以幫助研究人員更好地了解國內靜電紡絲領域的研究熱點。為了與國際上靜電紡絲領域的研究趨勢進行對比,基于Web of Science數據庫中2018—2022年收錄的15 000余篇靜電紡絲相關研究文獻,對國際靜電紡絲研究的最新進展進行關鍵詞聚類分析,其時間分布如圖5所示。結果顯示,“組織工程”“聚己內酯”“殼聚糖”“碳納米纖維”“吸附性”“力學性能”“聚丙烯腈”等關鍵詞在中外文文獻中都出現得最為頻繁,可見國內靜電紡絲研究熱點與前沿和國際研究有較高的相似度。國內外靜電紡絲研究最大的區別在于國內注重基礎理論研究,國外則注重具體場景的應用。由圖5可知,2018—2022年國際靜電紡絲研究主要關注“tissue engineering”(組織工程)、“carbon nanofibers”(碳納米纖維)、“graphene oxide”(氧化石墨烯)、“energy harvesting”(能量收集)、“mechanical properties”(力學性能)、“polyvinyl alcohol”(聚乙烯醇)及“TiO2nanofibers”(二氧化鈦納米纖維)等方向。其中,在“wound healing”(傷口愈合)[56-57]、“drug delivery”(藥物輸送)[58]、“drug release”(藥物釋放)[59]、“bone biocompatibility”(生物相容性)[60-61]等生物醫用領域的研究聚焦在應用層面。由此可見,國際靜電紡絲領域研究聚焦在靜電紡絲技術在生物醫藥領域的應用。

圖5 2018—2022年國際文獻關鍵詞時間分布圖譜Fig.5 Keywords time distribution atlas of international literature in the years from 2018 to 2022

2.5 突變詞分析

突變詞是指某研究領域短時間被引頻次急劇上升的關鍵詞,可以反映一段時間內影響力較大的研究主題[62]。通過計算關鍵詞的突現強度得到25個突變詞,如表3所示。由表3可知,2007—2022年,與靜電紡絲相關的研究具有階段性演化特征。2007—2010年為初始階段,國內學者們重視靜電紡絲成品及其裝置的研究,包括紡絲工藝(溶液組成、紡絲參數)、噴絲裝置、接收裝置等[63],充分研究了紡絲溶液的組成、電壓、溶液擠出速度和環境因素等對靜電紡絲成品的影響,探究了不同參數對于紡絲工藝的優化效果,設計了多針頭、無針頭等噴絲裝置,發明了氣泡紡絲、靜電離心紡絲等紡絲技術,改良了轉盤接收、滾筒接收、溶液浴接收等裝置。2011—2017年,隨著靜電紡絲技術的不斷完善,學者們開始聚焦納米纖維的后處理工作,如無機納米纖維和金屬納米纖維的制備與應用,納米纖維制品在生物醫藥、電池隔膜等領域的應用。2017年至今,對環境保護重視程度的提升帶動了防護過濾材料的興起,有關靜電紡絲納米纖維的過濾及吸附性能的研究方興未艾。靜電紡絲納米纖維在有機污染物、重金屬離子的吸附去除和在海水淡化、粉塵過濾方面的應用成為該領域內的一大前沿方向[64-65]。然而,學者們對靜電紡絲過程中的溶劑問題,納米纖維及其薄膜的力學問題關注較少。2022年,工業與信息化部、國家發展和改革委聯合發布的《兩部委關于產業用紡織品行業高質量發展的指導意見》中明確了靜電紡絲非織造布是行業提升的重點領域,強調優化靜電紡絲設備及工藝,實現靜電紡絲非織造技術裝備產業化[66]。可見靜電紡絲產業化備受重視。溶液紡絲過程中廣泛使用的有機溶劑,無序納米纖維膜的厚度均勻性、重復性和強力成為靜電紡絲研究的關鍵。

表3 靜電紡絲關鍵詞突變Table 3 Electrospinning keyword mutation

由關鍵詞聚類和突變詞分析結果可知,靜電紡絲研究取得了較大進展,為紡織材料技術難題的解決和納米纖維新材料的應用打下了良好基礎。隨著相關研究的演進,近年來靜電紡絲技術研發更加注重新材料的應用和規模化生產與應用,并在不斷開拓新的應用場景過程中更加注重環保。

3 結論與展望

使用文獻計量方法分析了國內靜電紡絲領域5 890篇中文論文,從發文量的角度,可將國內靜電紡絲研究劃分為3個階段,即萌芽階段、熱度升溫階段及持續繁榮階段。魏取福、丁玉梅、覃小紅、李秀艷及熊杰等學者在靜電紡絲研究領域長期耕耘,具有較大影響力。本領域主要作者之間的合作形式具有群體內部合作密度大、群體間合作密度小的特點。當前國內參與靜電紡絲領域科研的機構多為高校。東華大學、天津工業大學、江南大學、北京化工大學、蘇州大學以及浙江理工大學是在發文量和被引頻次方面最出色的6個機構。靜電紡絲的研究主題呈現出明顯的階段式演化特征。目前,國內在靜電紡絲領域的研究主要集中在纖維的制備(涉及紡絲裝置改進、工藝參數的探討和新靜電紡絲手段),及納米纖維在生物醫藥、空氣過濾、水處理、能源器件、防護、傳感等領域的應用兩方面。

未來可從以下3個方面做進一步研究,以促進靜電紡納米纖維材料的產業化應用。1)如何實現環境友好且規模化的制備,使其滿足產業化應用的要求。典型的溶液靜電紡絲過程中,紡絲溶液通常含有毒或腐蝕性的有機溶劑,無序纖維膜厚度均一性、可重復性難以保障。2)如何提高納米纖維及其薄膜的力學性能,使其滿足后期加工和應用的要求。例如,將納米纖維膜與其他基材有機結合,提高其力學性能和結構穩定性。此外,研究納米纖維集合體本身的力學性能將更具意義。3)如何靈活設計納米纖維材料,使其滿足不同應用場合。例如,在組織工程領域,增加納米纖維集合體的孔尺寸,調控其孔分布,使細胞能深入到支架內部;在能源領域,利用納米纖維材料優化電池的電極和隔膜,進一步提高器件電化學性能、導電性、熱力學與電化學穩定性等。