探讨静电纺丝技术的研究进展

探讨静电纺丝技术的研究进展

摘要：静电纺丝工艺是目前能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，具有

工艺简单、操作方便、制造速度快等优点，在医学和环保等领域有广泛应用。介

绍了近年来静电纺丝技术及其应用的研究进展，对静电纺丝的原理、影响因素等

方面进行了综述，对静电纺丝技术在未来的应用提出展望。

关键词：静电纺丝；纳米纤维；进展

引言

纳米纤维严格意义上是指纤维直径小于100nm的超微细纤维。它具有比表面

积大、孔隙率高等特点，因而可广泛应用于高效过滤材料、生物材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域。20世纪90年代纳米技术研究的升温，使

纳米纤维的制备迅速成为研究热点。静电纺制备聚合物纳米纤维具有设备简单、

操作容易等特点，是目前为止制备聚合物连续纳米纤维最重要的方法之一。

1静电纺丝

静电纺丝设备的简图如图1所示，主要由3部分组成：高压电源、喷丝头和

纤维收集装置。一般采用直流电源供应高压电，而不是交流电源。静电纺丝所需

的高压电为 1～30kV。注射器（或者移液管）将溶液或熔体输送到其末端的喷丝

头处。喷丝头是非常细的金属管且装有电极。收集装置或接收板用于收集纳米纤维，通过改变收集装置的几何尺寸与形状，可调整纳米纤维的排列形态。

2静电纺丝技术的原理

早在1882年，Ｒaleigh的研究发现，带电的液滴在电场中不稳定，进入电场之后，由于

电场力的作用，容易劈裂成较小的液滴。Taylor的研究表明，带电的液滴通过喷丝头进入电

场以后，在电场力以及液体表面张力的共同作用下，液滴逐渐被拉长，形成一个锥状体（Taylor锥），并确定其角度为49.3°。

静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体被挤压到喷丝头，由于电场力和表面张力的作用，

在喷丝头处形成Taylor锥，随着纺丝液不断的被推入电场，纺丝液便会从Taylor锥尖端喷出，在电场中受电场力的作用而被继续拉伸，当射流被拉伸到一定程度时，便会克服表面张力，

发生非稳定性弯曲进而被拉伸并分裂成更细的射流，此时射流的比表面积迅速增大而使溶剂

快速挥发，最终在收集装置上被收集并固化形成非织造布状的纤维毡。

3静电纺丝的影响因素

静电纺丝的影响因素主要包括溶液性质（如黏度、浓度、相对分子质量分布、弹性传导率、介电常数、表面张力等），过程条件（如电压、挤出率、喷丝头与接收装置之间的距离、喷丝头直径等）和环境因素（如温度、湿度、气体流速等）。对于这一方面，很多人进行了

研究。

现有的研究结果表明，在静电纺丝过程中，影响纤维性能的主要工艺参数主要有：聚合

物溶液浓度、纺丝电压、固化距离（喷嘴到接丝装置距离）、溶剂挥发性和挤出速度等。

（1）合物溶液浓度

聚合物溶液浓度越高，粘度越大，表面张力越大，而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张

力增大而减弱。通常在其它条件不变时，随着聚合物溶液浓度的增加纤维的直径也增大。

（2）纺丝电压

随着对聚合物溶液施加的电压增大，体系的静电力增大，液滴的分裂能力相应增强，所

得纤维的直径趋于减少。

（3）固化距离

聚合物液滴经喷嘴喷出后，在空气中伴随着溶剂挥发细流中的同时，合物浓缩固化成纤维，最后被接丝装置接受。对于不同的体系，固化距离对纤维直径的影响不同。例如，对于

聚苯乙烯（PS）/四氢呋喃（THF）体系研究表明，改变固化距离，对纤维直径的影响不明显。