近场静电纺丝初探
近场静电纺丝制备纳米纤维及应用的研究进展
近场静电纺丝制备纳米纤维及应用的研究进展王伟栋;贺晓晓;黄家寅;龙云泽【期刊名称】《青岛大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(029)001【摘要】静电纺丝技术是一种简易、高效制备微纳米纤维的技术,其制备的纤维直径在几个纳米到几个微米之间,具有独特的物理化学性质.因此探索和开发静电纺丝技术及纤维的应用成为各国的研究热点.由于电纺中高压静电存在安全、能耗问题,以及近年来对可控沉积纳米纤维的迫切需求,出现了低压近场电纺技术.具有纺丝电压低,纤维精确可控沉积的特点,在微纳加工技术及生物医学等领域具有巨大的应用潜力.综述了近场静电纺丝技术的机理、发展、最新进展及应用前景.【总页数】10页(P24-33)【作者】王伟栋;贺晓晓;黄家寅;龙云泽【作者单位】青岛大学物理科学学院,青岛266071;青岛大学物理科学学院,青岛266071;青岛大学物理科学学院,青岛266071;青岛大学物理科学学院,青岛266071;青岛大学山东省海洋生物质纤维材料及纺织品协同创新中心,青岛大学纤维新材料与现代纺织国家重点实验室培育基地,青岛266071【正文语种】中文【中图分类】TQ132.4+1【相关文献】1.静电纺丝多孔碳纳米纤维制备与应用研究进展 [J], 康卫民;范兰兰;邓南平;何宏升;鞠敬鸽;程博闻2.静电纺丝制备的ZrO2纳米纤维及其应用的研究进展 [J], 杨清会;周洁洁;王晓婷;孙陈诚;胡子君;洪樟连;支明佳3.静电纺丝法制备的纳米纤维在环境污染治理中的应用研究进展 [J], 陈晓青;谭晶;李好义;丁玉梅;杨卫民;何雪涛4.静电纺丝制备纳米纤维材料及应用研究进展 [J], 焦体峰;黄欣欣;展方可5.静电纺丝法制备纳米纤维在水体污染治理中的应用与研究进展 [J], 涂舜恒; 郑佳玲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
静电纺丝技术
静电纺丝技术的研究摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。
此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。
关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。
纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。
电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。
通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。
静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。
纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。
可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。
另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。
但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。
一静电电纺丝技术静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。
通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。
从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。
静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。
静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。
静电纺丝制备纳米纤维膜的研究
静电纺丝制备纳米纤维膜的研究纳米材料是当前材料科学领域的热门研究课题之一。
纳米材料具有大比表面积、高比强度、优异的力学、光学和电学性能等特点，是制备先进功能材料的重要基础。
而纳米纤维作为一类纤细的纳米材料，其低维结构和高比表面积也使其在材料科学中具有潜在的重要应用前景。
因此，纳米纤维的制备方法备受关注。
目前，制备纳米纤维主要有机械法、电化学法、热喷涂法、化学气相沉积法等多种方法。
而静电纺丝法由于其制备过程简单、实验设备较为容易获得、可制备的材料种类广泛等优点，成为了目前制备纳米纤维膜的先进技术之一。
静电纺丝，即利用高电场作用下带电纤维形成纤维膜的技术。
其基本原理是，在电场作用下，射流中极微小的液滴与地电极之间落差跨度最大的部位会受到很强的电吸引力，集中向电极聚集而成为纤维膜，同时浓缩了液滴中的聚集物，聚集的物质可以是聚合物、无机物质等。
静电纺丝法具有许多优点。
一方面，其能够在室温下制备纳米材料，同时具有较高的制备效率、较低的制备成本和适用于多种物质。
另一方面，静电纺丝可快速制备出具有优异纳米结构的纤维膜，同时其纤维直径与纤维排布可调控性高，形成的材料表面光滑，大小均匀，可用于纳米技术中制备模板、载体、过滤器、生物材料等方面的应用。
近年来，静电纺丝制备纳米纤维材料的研究也得到了持续关注和深入探讨。
一方面，不断有新的纳米纤维材料被开发和研究。
例如，聚合物、金属氧化物、碳纳米管、金属及金属合金等都可以利用静电纺丝方法进行制备；另外，研究人员也对静电纺丝的工艺和性能进行了不断探讨。
例如，通过改变静电纺丝的操作参数（如电压、电场强度、喷嘴直径、液体沉积浓度等）可以调整制备出的纳米纤维的结构、形态和尺寸，从而对其性能进行优化。
同时，纳米纤维材料的实际应用也越来越广泛。
例如，在生物医学中，利用纳米纤维材料制备的载体、膜、支架等用于组织工程、组织修复和组织再生等领域；在环境保护中，利用纳米纤维材料制备的过滤器、分离膜等用于水处理、空气过滤等领域；在电子显示和光学中，利用纳米纤维材料制备的电极、防伪材料等用于制作光电器件、液晶显示器等领域。
静电纺丝实验报告
静电纺丝实验报告静电纺丝，又称为电丝分离，是一种用于在原料液体中分离可纺丝物质的技术。
该技术可将原料液体中的有用物资精确分离出来，使其形成细丝状，从而达到获取超细纤维、纳米纤维和微米纤维的目的。
本文对静电纺丝实验进行了报告，以分享研究结果，旨在深入探究以及加深人们对该技术的了解。
一、研究背景随着全球经济的快速发展，社会的物质文化水平也在不断提高。
为了满足不断增加的物质需求，人们不断创新，研发新的技术和产品。
静电纺丝技术是其中之一，它的出现对于改善生活环境、满足熔断纤维和精细纤维无缝产品的制造提供了重要技术手段和帮助。
二、实验环境及材料静电纺丝实验需要有一定的实验环境和材料准备，其中最重要的是电场产生器，包括负载电容、控制电容、变压器、流量计、液位控制器等。
除此之外，实验还需要包括罐头、滤布，移动式架体、滤料等。
三、实验步骤实验步骤主要分为四部分，分别是实验前准备、实验过程、实验后整理和统计分析。
（1）实验前准备：按照实验要求，清除实验室环境，检查实验器材，熟悉实验步骤，确保材料齐备。
（2）实验过程：准备原料液体，调整电场参数，调整液体流量，控制液体温度和压力，监测细丝的变化，当达到预期效果时，停止实验。
（3）实验后整理：实验完成后，收集所有实验数据，整理统计，以便研究者后续分析。
（4）统计分析：对实验室所收集的数据进行分析，可以获得细丝的类型、纤维尺寸、结构等特征，以及跟踪电场参数变化的规律等，以便研究人员进一步对该技术进行深入研究。
四、实验结果实验结果表明，在满足特定条件的情况下，静电纺丝流程可以有效地将原料液体中的有用成分分离出来，形成细丝，从而获得超细纤维、纳米纤维和微米纤维等产品。
实验数据进一步证明，静电纺丝技术是一种可靠的、经济高效的工艺手段。
五、总结本文介绍了静电纺丝技术的实验过程，以及实验所得结果。
实验结果表明，通过调整电场参数可以有效地获得细丝状的产品，从而达到获取超细纤维、纳米纤维和微米纤维的目的。
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展
静电纺丝技术制备纳米纤维膜相关研究进展静电纺丝技术是一种基于静电吸引原理制备纳米纤维膜的方法，近年来得到了广泛的关注和研究。
它能够将聚合物溶液通过高压电场形成纤维，并沉积在基板上制备出纳米纤维膜。
由于其简单、低成本、高效率等优点，静电纺丝技术在许多领域，如材料科学、纺织工程、生物医学等方面都得到了广泛的应用和发展。
在静电纺丝技术制备纳米纤维膜方面，研究人员主要集中在改进纺丝设备和优化纺丝工艺、探索新型纺丝材料、功能化纳米纤维膜的制备以及应用等方面。
这些研究进展为纳米纤维膜的制备提供了许多新的途径和可能性。
首先，纺丝设备及工艺的改进是静电纺丝技术发展的关键。
目前的静电纺丝装置通常采用高压发生器和喷嘴构成，但存在纤维直径分布不均匀、纤维动态不稳定等问题。
为了克服这些问题，研究人员通过改变电场设置和流体控制来实现纺丝参数的调节，如电压、喷嘴直径、溶液浓度等，以改善纤维的均匀性和稳定性。
此外，研究人员还尝试使用旋转喷嘴、多孔板等新型装置，以进一步提高纺丝效果。
其次，纺丝材料的选择和改进也对纳米纤维膜的制备至关重要。
传统上，聚合物是纺丝材料的主要选择，如聚丙烯、聚乳酸等。
近年来，研究人员还开始尝试使用天然聚合物、无机纳米颗粒和功能性添加剂等作为纺丝材料，以获得具有特殊性能的纳米纤维膜。
例如，天然聚合物纳米纤维膜具有优异的生物相容性和可降解性，在医学领域有很大的应用潜力。
此外，纳米纤维膜的功能化制备也是当前研究的热点之一。
通过添加纳米颗粒、导电材料、抗菌剂等，可以使纳米纤维膜具备光催化、导电、抗菌等特殊功能。
例如，加入二氧化钛纳米颗粒的聚丙烯纳米纤维膜在光催化降解有机污染物方面显示出良好的性能。
此外，添加导电剂可以赋予纳米纤维膜导电性能，拓展其在传感器、光电器件等领域的应用。
纳米纤维膜在许多领域中具有广泛的应用前景。
在过滤分离领域，纳米纤维膜具有较高的比表面积和孔隙度，可以用于气体过滤、水处理等。
此外，纳米纤维膜的高比表面积和纤维间的微米级孔隙结构也使其在能量储存和催化领域有着重要的应用。
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展
静电纺丝制备纳米纤维的研究进展近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米材料的应用领域也越来越广泛，其中纳米纤维作为一种新型材料备受关注。
静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维的有效方法，其应用范围也越来越广泛。
本文将介绍静电纺丝制备纳米纤维的研究进展。
1. 静电纺丝技术概述静电纺丝技术是一种利用静电场将高分子材料制备成纳米纤维的方法。
该技术具有工艺简单、操作方便、成本低、制备纤维直径可调等优点。
静电纺丝技术离不开两个基本元素：溶液和电场。
高分子材料被溶解在溶液中，经过特定的处理后，在电场的作用下开始拉伸，形成纳米直径的纤维。
2. 静电纺丝技术的优缺点静电纺丝技术在制备纳米纤维方面具有以下优点：①纳米纤维可以制备成连续的纤维丝，其长度可达数百米以上，比传统制备方法的纤维连续性更好；②纳米纤维直径可在10纳米至数微米之间调节；③制备成纳米纤维的材料具有极高的比表面积和孔隙度，这些特性使得其在耐热性、膜分离、天然气储存等方面具有广泛的应用前景。
但是，静电纺丝技术也存在一些缺点：①纤维纳米化会导致纤维的拉伸力和断裂十分容易，因此在制备过程中需要控制拉伸度，避免出现纤维过于脆弱导致纤维丝断裂；②由于溶剂挥发以及电场造成的电荷分布不均，容易导致制备的纳米材料出现不均匀性和不稳定性。
3. 静电纺丝技术的进展目前，在静电纺丝技术领域已有许多研究成果。
例如，在制备金属氧化物、生物纳米纤维、纳米复合材料、药物等方面都有广泛的应用。
例如，学者们在制备PCL（聚己内酯）纳米纤维过程中，将X射线光谱法和原子力显微镜（AFM）技术结合，探究了纤维的结构、力学性能和表面形貌等。
研究结果表明，纤维直径的变化可以显著改变材料的力学性能。
在另一项研究中，学者们使用静电纺丝技术制备出药物包被的聚乳酸（PLA）纳米纤维，实现了药物的缓慢释放，有望在医药领域得到应用。
4. 静电纺丝技术未来发展随着人们对纳米材料需求的增加，静电纺丝技术的应用前景也越来越广阔。
近场静电纺丝
回顾与发展
• 1934年 第一套静电纺丝的设备 • 可制造直径<100纳米的 纳米管，复合纳米纤维， 陶瓷纤维 • 应用：生物脚手架，绷带，过滤；场效应晶体管， 光学传感器，沉积带有DNA的功能芯片 • 缺点：射流不稳定 无序 • 改进：静电场和机械转动的收集器 • 化学和物理条件：溶液浓度，外加电压，接收距 离
Near-field electrospinning（NFES） 简介
• 接收距离（h）：500微米~3毫米 射流稳定，纤维的沉积位置可控 • 钨电极：实心喷丝头，尖端d=25微米 纤维d<100纳米 • 电压：<107 伏 取决于具体的接受距离 • 用钨电极想蘸笔一样，在聚合物溶液中蘸取液滴
• • • •
实验部分
• 溶液：PEO 5 wt% • 收集器：硅基收集器+微电子机械系统（MEMS） +微电子技术 • 温度：室温 • 压力：1标准大气压 • 接收距离：1毫米 • 电压：1000伏
• 图A：沿直线移动收集器，得到谱线形状的纳米纤维，在 同一个平面内互相垂直， 标尺：1毫米 • 图B：SEM观测纤维直径为300纳米， 标尺：500纳米 • 图C：收集器以5cm/s沿直线移动时，纳米纤维在收集器 的形态 标尺：100微米 • 图D：收集器以10cm/s沿直线移动时，纳米纤维在收集器 的形态 标尺：100微米 • 图E：收集器以15cm/s沿直线移动时，纳米纤维在收集器 的形态 标尺：100微米 • 图F：收集器以20cm/s沿直线移动时，纳米纤维呈现直线 形态 ，两条纤维间的距离为25微米 标尺：100微米
• 理论上，没有二氧化硅涂层的接收器，因其接收 距离长，有更长的时间使得溶剂挥发，结果导致 纤维沉积面积更大。 • 在接收距离同样为500微米，用浓度3wt%的PEO 溶液纺丝所得纳米纤维直径为150-300纳米和50200纳米。
静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究
静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究随着科学技术的快速发展和产业的不断创新，纳米材料的制备和应用逐渐成为了研究的焦点。
静电纺丝纳米纤维制备技术就是一种常见的制备纳米材料的技术。
本文将对静电纺丝纳米纤维制备技术及其应用研究进行探讨。
一、静电纺丝纳米纤维制备技术静电纺丝技术是利用电场将高分子液体喷出微米甚至纳米级别纤维的一种制备技术。
静电纺丝技术制备纳米纤维在多个领域得到了广泛应用，例如纺织、生物医学、环保等领域。
静电纺丝技术的原理是将高分子液体通过一个细小的孔洞喷射出来，这个过程中，高分子液体受到外界电场的作用，会形成纤维状的微米级别的细丝。
这些细丝经过后续的处理，就能够得到纳米级别的细丝。
静电纺丝技术制备的纳米纤维具有较大比表面积、高比强度、优异的力学性能、良好的电学性质及生物相容性等优点。
静电纺丝技术制备的纳米纤维可以根据不同的材料和应用领域调整其尺寸和形貌，液态中除了高分子溶液，还可以纯化的金属溶液、无机盐溶液、碳纳米管等物质。
二、静电纺丝纳米纤维的应用研究1、生物医学领域由于纳米纤维具有高比表面积等特性，因此在生物组织工程、体内药物释放、生物传感等领域得到广泛应用。
静电纺丝纳米纤维制备的支架具有具有高比表面积、良好的生物相容性、高度的空隙率和良好的可控性等特点。
这些特点使纳米纤维支架成为了生物组织工程领域的研究热点。
纳米纤维支架通过结构的调节、复合材料制备、表面修饰等方法，可以在生物组织中实现不同的生物学功能，如增强细胞的定向生长、促进纤维组织的生长等。
静电纺丝纳米纤维制备的载药纳米材料具有良好的生物相容性和药物的缓释性能。
这种材料可作为药物释放的载体，以实现更加精准的药物治疗。
纳米纤维在其表面修饰上引入不同的生物分子，如细胞识别和粘附分子，不仅能提高纳米纤维植入后的细胞组织相容性，还可以促进细胞的黏附和增殖等。
2、纺织领域静电纺丝技术制备的纳米纤维具有高比表面积、孔隙结构和微结构控制性能等特点，因此在纺织领域应用也得到了快速发展。
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近场静电纺丝初探
1.近场静电纺丝的由来
传统电纺所得的无序、不规则排列的无纺布纤维结构在一定程度上限制了纳米纤维的进一步应用。
特别是随着电纺纳米纤维在组织结构、柔性电子、微纳器件等领域的应用发展，对纳米纤维的可控沉积有更迫切的需求。
因此，制备有序排列的可控纳米纤维成为当前静电纺丝技术的研究热点。
目前制备有序电纺纳米纤维的方法主要有：转辊法、平行电极法、图案化电极法、近场电纺法等。
随着对静电纺丝技术及其制备的纳米纤维的深入研究，静电纺丝装置近年来也做了大量的改进。
早期的电纺装置改进主要集中在喷头与接收器上，近几年由于静电纺丝高电压所引发的安全与能耗问题，使得研究人员逐步探索低压电纺。
目前实现低压电纺主要有三个途径：一是增加外力辅助作用以减小电场力作用；二是改变纺丝液组分，添加具有特殊性能的物质；三是改变纺丝距离。
其中效果最为显著的方式是改变纺丝距离，即近场电纺。
2.近场静电纺丝的发展
2003年，Jun Kameoka等最先研究低压电纺，介绍了一种用扫描探针作纺丝针尖进行静电纺丝制备有序纤维的方法。
用自助装300um左右的箭头形硅针尖作探针，采用探针蘸取聚合物溶液的方式进行电纺，纺丝距离为2cm，纺丝电压4-6kV。
这种方法使得低压近场静电纺丝变为可能，通过收集板相对纺丝针尖旋转得到了有序排列的微纳米纤维。
图1为低压电纺聚合物纤维的制备过程示意图。
图１近场静电纺丝纳米纤维制备过程示意图
2006年，厦门大学孙道恒等首次提出近场静电纺丝的概念，该团队使用自组装25um的钨针尖蘸取纺丝溶液进行近场电纺，纺丝距离500um，纺丝电压仅有600V。
文章重点研究了近场电纺在直写技术中的应用，控制收集板以不同的速度单向移动，将收集板移动速度与纺丝速度进行协调匹配，达到制备有序纤维目的，并进行了一些初步的直写尝试。
文中提到的近场电纺示意图及纺丝过程照片如图2所示。
图２（A）近场电纺原理示意图；（B～E）纺丝过程照片
3.近场静电纺丝的原理
近场电纺不仅达到了降低纺丝电压的目的，而且可以实现对纤维的精确可控沉积，极大促进了其在直写领域、大面积图案化、高精度收集、微流连接、微机电系统、组织神经等领域的应用，特别是近场电纺在纳米纤维直写技术上的应用最为广泛和成熟。
其基本原理为：通过降低纺丝距离（几厘米甚至几毫米的尺度范围）来降低纺丝电压。
近场电纺中，一般采用探针针尖蘸取纺丝液的方式进行纺丝，纺丝距离控制在20mm以下，纺丝电压约1kV-4kV，同时将收集板置于二维运动平台，通过控制二维运动平台的运动路径，实现电纺纤维在二维平面内的定点沉积。
4.近场静电纺丝的应用
低压近场静电纺丝技术通过减小纺丝距离降低纺丝电压，既能减少能耗又能提高安全系数，而且有效地解决了传统静电纺丝过程的不稳定性，实现了纤维的可控沉积，为满足目前工业化生产中对大规模制备微纳米纤维以及精确控制纤维形貌的需求提供可能，因此在纳米直写技术、纳米纤维大面积有序沉积、纳米纤维高精度沉积、微电子系统等领域具有非常大的应用前景。
Sun等在前期对近场电纺直写有序纳米纤维的研究基础上，探索出近场电纺技术制备纳米沟道的方法。
首先利用近场静电纺丝技术将纳米纤维按预定轨道直接沉积在衬底上，之后在衬底上磁控溅射一层金膜作沟道材料，最后将该衬底在氯仿中进行超声清洗，纳米纤维及覆盖在其上的金即被剥离，进而形成一条纳米沟道。
实验表明，沟道的宽度和形状受近场电纺工艺参数的影响，当近场电压从1.2kV变化到2.5kV时，相应的沟道宽度从133nm变化到13.54um。
此外，除去直线型纳米沟道，通过调节基底的移动规律还可制备网格状及波浪状纳米沟道，如图3所示。
图3（a）近场电纺制备纳米沟道原理；（b）不同形貌的纳米沟道
5.近场静电纺丝在未来的研究方向
近年来，越来越多的材料通过近场静电纺丝技术被制备成微纳米纤维，应用领域也越来越宽广。
但受到探针针尖蘸取量的限制，近场电纺不能进行连续大规模的制备微纳米纤维。
此外，纺丝液形成的泰勒锥与收集板间有限的距离导致纤维在电场中劈裂、拉伸和细化的程度不够，使所得纤维直径偏大，达不到纳米级别。
这些成为近场电纺发展初期限制其应用的主要因素，同时也是我们未来的研究方向。
因此，近场静电纺丝的未来的研究主要集中在：近场电纺的理论研究；电纺丝形貌的可重复制备，包括均一性、有序性以及新型结构的制备；近场电纺丝在光电子器件、微流控芯片和生物检测等领域的应用。
来源：静电纺丝进展期刊。