静电纺丝原理研究进展
基金项目:国家自然科学基金(50773054、10402031);
作者简介:薛聪(1980-),男,硕士研究生,主要从事同轴静电纺丝制备透光复合材料的研究;*通讯联系人:E2mail:huangzm@mail.tongji.edu.cn.静电纺丝原理研究进展
薛 聪,胡影影,黄争鸣*
(同济大学航空航天与力学学院,上海 200092)
摘要:纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。在众多制备
纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,其中同轴共纺技术由于能制备芯2壳(core2shell)结构的纳米纤
维,也越来越引起人们的关注。本文介绍了基于电流体动力学的静电纺丝原理,讨论了静电纺丝相关原理研究
进展,包括Taylor锥与喷射,纳米纤维的弯曲非稳定性,高聚物溶液P熔融体流动非稳定性,两相流流型及其转
换,高聚物两相流流型及其转换,非牛顿流体流动非稳定性以及两种非牛顿流体分层流动等,最后指出了尚待
解决的一些问题。
关键词:静电纺丝;流体动力学;非牛顿流体;两相流
引言
静电纺丝技术在1934年首先由Formhals[1]提出,随后的相当长一段时间又有多项专利出现。到了20
世纪80年代,才有人开始对该技术进行大量的实验和理论研究。近年来,随着纳米材料研究的兴起,人
们发现,由电纺制得的纤维的直径可以达到纳米级,使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[2]。
目前,主要是从事化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝,但显而易见的是,电纺过程中涉及了大量
的流体动力学方面的内容,因此也受到了力学界的关注。
早在上世纪60年代,电纺过程中有关流体动力学方面的研究就已经开始了[3]。由于静电纺丝所使
用的溶液或熔融体大多为非牛顿流体,因此随着流体力学研究的不断深入,特别是非牛顿流体相关研究
的深入,推动了电纺理论的发展。近期,一种新的电纺方法)))同轴电纺及其紧密相关的同轴射流技术,
引起了人们极大的关注[4~8],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[9],因此对同轴电纺理论研
究同样引起了包括力学家在内广大学者的极大兴趣。相比于传统单纺,同轴共纺的流体动力学问题更多
也更复杂,并且如何将现有的研究成果与同轴共纺结合起来,需要广大学者进一步的研究和探讨。本文
重点介绍了电纺中流体动力学的研究成果及进展,以期对该方面的研究现状和未来发展趋势有一个较好
的认识。
本文首先介绍静电纺丝原理,包括Taylor锥与喷射、纳米纤维的非稳定性、高聚物溶液或熔融体在毛
细管中流动的非稳定性,然后介绍了同轴电纺和单纺之间的异同、微重力条件下两相流流型与转换、非牛
顿流体两相流流型与转换以及两种非牛顿流体分层流动非稳定性相关研究,最后为小结。
1 静电纺丝实验装置与基本原理
111 电纺过程
电纺装置包括:高压电源,溶液储存装置,喷射装置(如内径1mm的毛细管)和收集装置(如金属平
板、铝箔等)。图1为本实验室所用的单纺装置。
高压静电场(一般在几千到几万伏)在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差,使毛细管内聚合
物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体)克服自身的表面张力和粘弹性力,在喷丝头末断呈现半球状的液#38#高 分 子 通 报2009年6月
图1 静电纺丝装置示意图[10]
Figure1 Schematicofaelectrospinningsetup
滴。随着电场强度增加,液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过一临界值后,将克服液滴的表
面张力形成射流(一般流速数mPs),在电场中进一步加速,直径减小,拉伸成一直线至一定距离后弯曲,进
而循环或者循螺旋形路径行走,伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化,终落在收集板上形成纤维,直径一般在
几十纳米到几微米之间。
112 静电纺丝原理研究
近些年来,有关静电纺丝原理的研究越来越引起学者们的关注[11~13,20],研究主要集中在两个方面:
(1)Taylor锥与喷射;(2)纳米纤维的弯曲非稳定性。而纺丝液在毛细管中的流体动力学问题,特别是非牛
顿流体的管流在现有电纺文献中少有涉及。但是电纺所用的高聚物溶液或熔融体都是非牛顿流体,因此
必定涉及到非牛顿流体的管流。非牛顿管流的一个重要特征是其非稳定性,因此非牛顿流体管流非稳定
性应为电纺过程中有关流体动力学方面的研究方向之一。
11211 Taylor锥与喷射理论 在高压电场作用下,带电聚合物溶液或熔融体液滴会形成一个锥体。这是
电场力与表面张力共同作用的结果。随着电场强度的增加,锥体上的电荷密度上升,继而锥体的角度变
大。一般认为,当超过临界电压时平衡被打破,随即产生一个锥形,即Taylor锥。继续增加电场强度,达
到另一临界值时,将克服液滴的表面张力形成射流。有关Taylor锥的研究主要围绕其临界锥形角度以及
轮廓展开。早在1964年,Taylor通过大量流体力学与电流体动力学的相关计算以及实验研究,得出Taylor
锥理论上临界锥角为49.3b[3]。
但是在2001年,Yarin等[13]通过实验和计算,得到了不同的结果。他们通过计算发现Taylor锥的自相
似性(自相似性是指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看都是相似的,Suvorov等[14]
利用在电场作用下的带电金属液体流进行的实验也证实了Taylor锥的自相似性),并且得出Taylor锥形状
服从双曲线。据此他们得出如下结论:(1)随着电场不断加强,液体表面达到临界状态,该临界状态轮廓
仍为锥形,但锥角为33.5b而不是4913b;(2)对于牛顿流体来说,临界锥角与流体性质无关,因为表面张力
的增大总是伴随着临界电场的变大。然而在弹性液体或者非松弛粘弹性液体的条件下,临界双曲面的锐
度与弹力和表面张力有关系。图2为Yarin等拍到的照片(图中虚线为Taylor锥锥体形状,实线为文中推
测的锥体形状;图中的白线为对称轴线。其中(a)图为向上喷射,(c)图为向下喷射。(b)(d)两图为(a)
(c)两图的放大效果,(b)图中在A区域不能获得有用的数据,在B区域,显示锥角为3715b;C区域显示锥
角为3015b。(d)图中,A区域显示的锥角为31b,B区域显示的锥角为26b)。但是,注意到在他们的研究中
所用的所有液体都被认为是理想的离子导电体,所有的计算都是在这个假设下进行的,因此这个结论只
适合于具有理想以及近似理想的离子导电体性质的溶液。#39# 第6期高 分 子 通 报
图2 临界液滴形状[13]
Figure2 Thecriticaldropletshape
在Brenner和Hohman的协助下,Rutledge和Shin[15]观测了丙三醇在固定流速的条件下,处于不同电场
强度中喷射轮廓的变化,如图3所示。他们根据前人得到的公式
rW14z
(式中r为喷射半径,z为所测位置与喷嘴的距离,所用流体为牛顿流体)对比了实验观测的数据。图4
为Rutledge和Shin的定量分析与实验观测的对比曲线,其中喷口直径01794mm,由上板伸出712mm。流
速115mLPmin,电场强度=510kVPcm,实线为实验轮廓,虚线为理论轮廓。Shin等[16]发现,在低流速和高电压或距离Taylor锥区域足够远的情况下,理论与实验吻合最好。
图3 丙三醇以015mLPmin的流速在不同电场强度下的喷射
从左至右:3167kVPcm,4133kVPcm,510kVPcm[15]
Figure3 Glyceroljetsat015mlPmin.Lefttoright:3167kVPcm,4133kVPcm,510kVPcm
图4 实验和理论丙三醇喷射轮廓的对比(图片已旋转90度)[15]
Figure4 Comparisonofexperimentalandtheoreticaljetprofilesforglycerol(Imagerotatedby90degrees)
一般情况下,静电纺丝的外加电场为直流电,但在2006年Maheshwari和Chang[17]研究了交流电条件下,Taylor锥和喷射与直流电条件下的不同。他们发现,交流电和直流电导致的最大不同就是Taylor锥的#40#高 分 子 通 报2009年6月锥角差别非常大,如图5所示,交流电所产生的锥角(大约为9b)要比直流电产生的小很多。但是形成机理尚有待进一步研究。
图5 直流电和交流电作用下Taylor锥的对比
(a)3kV直流电的情况,(b)100KHz、5kV交流电的情况[17]
Figure5 Comparisonof(a)dccone2jetmodeat3kVand(b)acconicalmodeat100kHzand5kV
11212 纳米纤维的弯曲非稳定性 纤维在运动的过程中的受力主要有电场力、表面张力、重力、纤维内
部粘弹力等。实际上喷丝过程还有空气阻力、电荷互斥力等较弱的影响因素。随着喷丝的进行,溶剂挥
发或熔融体的固化,其中部分因素不断发生变化,喷丝表现出非稳定性,它们会弯曲然后变成一系列环
形,并且越接近接收板,环形的直径越大,喷丝越细。
在静电纺丝过程中,带电聚合物溶液喷射的弯曲非稳定性占有重要的位置。Shin等[18]认为,在喷射
过程中,纤维在排斥力作用下会形成分裂和弯曲非稳定性,从而产生更细的纤维。Spivak等[19]认为在文
献[18]中所提到的现象是由于横向非稳定性或射流的分裂引起的,他们还发现,这种现象在喷射发展到一
定距离后才会出现。非稳定性使得接收单根纤维变的很困难,成为制约静电纺丝发展的一个重要因素。
因此,非稳定性的理论与实验研究能提供很好的参考。
Shin等[16]在牛顿流体的条件下,建立了一个静电纺丝过程的数学模型。此模型简化了一组有关长细
流喷射方面的静电流体动力学方程组,但仍保持流体的种种典型性质,如传导性、粘性、电荷密度等等。
他们利用PEO溶液观测到喷射的非稳定性对比模型发现,这个数学模型是符合实际情况的。图6为他们
利用PEO溶液观测到的喷射的非稳定性,其中:(a)带电PEO溶液喷射的非稳定区域(曝光时间1P250s),
垂直距离为9cm;(b)带电PEO溶液喷射的非稳定区域,抖动射流(曝光时间18ns)和包膜(曝光时间1P
250s)。抖动射流为黑色实线,圆周直径为15mm;(c)带电PEO溶液射流的非稳定区域以及在整个非稳
定区域中射流的轨迹(曝光时间18ns),垂直距离20cm。
图6 喷射的非稳定性[16]
Figure6 InsitabilityinanelectrifiedPEO2waterjet
Reneker等[20]利用聚合物溶液在20KV的电压下的喷射以及高速摄像机,得到了更精确的非稳定性
状态发展过程的图片。随后,Yarin等[21]引入局部近似法来计算作用在带电聚合物喷射流上的弯曲静电
力,进一步研究文献[20]中的弯曲非稳定性。然后用所得结果对分别由静电力驱动的弯曲非稳定性和气#41# 第6期高 分 子 通 报
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用
静电纺丝技术制备纳米纤维的基本原理与应用
静电纺丝技术是近年来较为成熟的纳米纤维制备技术之一，具有高效、简便、易操作等特点。本文将介绍静电纺丝技术的基本原理，探讨其应用领域，并简单举例说明。
一、静电纺丝技术的基本原理
静电纺丝技术是指将高分子溶液通过高压电场作用，形成纳米级的纤维。其工作原理基于三个主要因素：高分子的表面张力、电荷密度和电场强度。在电场的作用下，载有电荷的高分子溶液会形成电荷分布，随后在电场的作用下，溶液中的高分子链状分子朝向电极移动而形成了纳米级的纤维。这些纳米纤维以径向跟随电场分布，并且由于高分子链间的极性相互作用力、表面张力等因素的固化作用下逐渐形成完整的纳米纤维膜。
二、静电纺丝技术的应用领域
(一) 高分子工业
静电纺丝技术在高分子工业上有着广泛的应用。由于其纳米纤维的特殊性质，可以增强高分子材料的机械性能、光学性能、电学性能等特征。高分子纳米纤维的应用范围涉及到纺织品、防辐射针织品、过滤器、滤清器、气凝胶、船用材料等。
(二) 食品科学
静电纺丝技术在食品科学中也有着广泛的应用。利用静电纺丝技术制备的纳米纤维对于食品中的油脂、营养成分、气味等具有吸附、封存、保护的效果。同时，纳米纤维膜具有较高的透气性能和大表面积，可以被应用于保鲜、包装、防霉、防菌等方面。
(三) 医药领域
静电纺丝技术在医药领域中的应用较为广泛。制备高分子纳米纤维材料用于医疗设备的制造，例如口罩、医用手套、敷料等。此外，静电纺丝在药物传输、生物识别、细胞培养、组织修复等方面也有着广泛的应用。
三、例子详解——静电纺丝技术制备抗菌口罩
随着新型冠状病毒的传播，口罩成为了人们必备的生存物品。传统的口罩材料往往有着较为严重的缺陷，无法对抗空气中的病原体产生作用，再加上长时间佩戴，出现细菌和真菌的滋生。基于静电纺丝技术的口罩材料则可以有效地解决上述问题。利用静电纺丝技术，制备的口罩材料具有高度的表面积，并且具有极佳的抗菌和透气性能。该口罩材料能够在医疗领域使用，有效地防止病毒和细菌的传播。
静电纺丝技术
静电纺丝技术
静电纺丝技术是利用高压静电作用使聚合物溶液或熔体带电并发生形变，在喷头末端处形成悬垂的锥状液滴，当液滴表面静电斥力大于其表面张力时，液滴表面就会喷射出高速飞行的射流，并在较短的时间内经电场力拉伸、溶剂挥发、聚合物固化形成纤维。所获得的静电纺纤维直径小、比表面积大，同时纤维膜还具有孔径小、孔隙率高、孔道连通性好等优势，在过滤、传感、医疗卫生以及自清洁等领域具有广泛的应用。
1静电纺丝的起源与发展
静电纺丝起源于200多年前人们对静电雾化过程的研究。1745年，Bose通过对毛细管末端的水表面施加高电势，发现其表面将会有微细射流喷出，从而形成高度分散的气溶胶，并得出该现象是由液体表面的机械压力与电场力失衡所引起的。1882年，Rayleigh指出当带电液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，就会在其表面形成微小的射流，并对该现象进行理论分析总结，得到射流形成的临界条件。1902年，Cooley与Morton申请了第一个利用电荷对不同挥发性液体进行分散的专利。随后Zeleny研究了毛细管端口处液体在高压静电作用下的分裂现象，通过观察总结出几种不同的射流形成模型，认为当液滴内压力与外界施加压力相等时，液滴将处于不稳定状态。
基于上述的基础研究，1929年，Hagiwara公开了一种以人造蚕丝胶体溶液为原料，通过高压静电制备人造蚕丝的专利。1934年，Formhals设计了一种利用静电斥力来生产聚合物纤维的装置并申请了专利，该专利首次详细介绍了聚合物在高压电场作用下形成射流的原因，这被认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。从此，静电纺丝技术成为了一种制备超细纤维的有效可行方法。1966年，Simons发明了一种生产静电纺纤维的装置，获得了具有不同堆积形态的纤维膜。20世纪60年代，Taylor在研究电场力诱导液滴分裂的过程中发现，随着电压升高，带电液体会在毛细管末端逐渐形成一个半球形状的悬垂液滴，当液滴表面电荷斥力与聚合物溶液表面张力达到平衡时，带电液滴会变成圆锥形；当电荷斥力超过表面张力时，就会从圆锥形聚合物液滴表面喷射出液体射流。人们称这个悬垂的圆锥形液滴为“泰勒锥”，如图1-5所示。1971年，Baumgarten使用丙烯酸树脂溶液通过静电纺丝技术获得了直径小于1μm的纤维，同时发现纤维直径受溶液黏度、灌注速度、纺丝电压以及纺丝介质中气体种类等多种因素影响。
静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究
静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的研究
聚合物纳米纤维膜是一种新型的材料，由于其具有优异的物理和化学性质而受到越来越多的关注。目前，研究人员开展了大量的工作，以开发制备这种材料的新方法。静电纺丝技术是一种被广泛应用于聚合物纳米纤维膜制备的方法。该方法以高压静电场为驱动力，通过将聚合物分子从液态转变为固态，从而制备具有纳米级尺度的聚合物纤维。本文将介绍静电纺丝技术制备聚合物纳米纤维膜的原理、优点以及应用。
一、静电纺丝技术的原理
静电纺丝技术是指将含有聚合物溶液的“滴”，通过高压静电场的作用，使溶液从液态转变为纳米级尺度的聚合物纤维的过程。该技术涉及两个相反的过程：传输和荷电。在传输过程中，溶液从喷嘴中被喷出，形成溶液“滴”，然后通过高压静电场的作用，这些滴获得了荷电，移动到地面或由电极吸附。在荷电过程中，因为这些荷电粒子被静电力所吸引，所以它们沿着高压电极向下运动。当这些荷电粒子接近到一定距离，它们之间的静电引力就足以克服表面张力，形成纳米级尺度的聚合物纤维。
二、静电纺丝技术的优点
制备聚合物纳米纤维膜的传统方法包括溶液浸渍、熔融拉伸等技术，但这些方法都存在着一些局限性，如工艺复杂、成本高等。相比之下，静电纺丝技术具有如下优点：
1.高效性：该技术可在较短时间内制备大量的纳米级聚合物纤维，并可实现连续性生产。
2.灵活性：静电纺丝技术可以制备出不同形态、大小和形状的聚合物纳米纤维。 3.高质量：该技术制备的聚合物纳米纤维具有高度纯度、尺寸一致性好和结构紧密等特点，使其应用广泛。
三、聚合物纳米纤维膜的应用
聚合物纳米纤维膜由于其纳米级尺度的尺寸和优良的物理化学性质，在多个领域中都有着广泛的应用。下面简要介绍其主要应用领域。
1.过滤和分离领域：聚合物纳米纤维膜由于其纤维间距非常小，同样尺寸的纳米级颗粒、蛋白质等大分子物质可以被过滤掉，这使其在液体过滤和气体过滤领域有广泛的应用。
2.生物医学领域：在不同细胞之间建造三维聚合物纳米纤维膜支架，使得细胞能够依附并形成新的组织，有利于修复受损的组织和器官。
静电纺丝技术的发展与应用
静电纺丝技术的发展与应用
静电纺丝技术是一种将聚合物溶液或熔体通过高电压电场加工成纳米级或亚微米级细纤维和薄膜的方法。20世纪30年代初，人们开始尝试利用电场加工聚合物溶液并制备纤维，然而，由于技术限制和仪器设备的不成熟，当时的静电纺丝方法仅能制备极细的纤维，而在20世纪60年代，小埃米娜姆教授改进了静电纺丝仪器，使得其可以在实验室中操作，从而推动了静电纺丝技术的发展。近年来，静电纺丝技术得到了广泛的应用，尤其是在材料科学、生物技术、医学和纺织工业方面。
一、 静电纺丝技术的原理及机制
静电纺丝技术是通过施加高电压电场的形式使聚合物溶液在电场中快速溶解貌似喷雾的方式，将微小的液滴带入边缘后使其波纹和落下，瞬间形成纤维，这种纤维和传统方式打造的纤维不同，不仅细而柔软，而且纤维之间呈特殊结构，有许多间隔可以容纳其他物质，因此具有广泛的应用前景。
二、 静电纺丝技术的优势与局限性
相对于传统的制备方法，静电纺丝技术有着一系列的优势。首先，静电纺丝能够制备出极细的细纤维，其尺寸可达到亚微米级，而一般化学合成方法难以制备细度小于几微米以下的材料。其次，静电纺丝过程中，聚合物的分子结构和溶剂的化学性质均可以自由调控，从而可以设计出满足不同需求的纤维材料。此外，静电纺丝还能够制备出独特的纤维结构和形态，如中空纤维、粗糙表面纤维、多孔纤维、核-壳结构纤维等。
然而，静电纺丝技术也存在一些局限性。首先，纤维直径对静电纺丝过程的稳定性和产量有很大的影响。当聚合物液滴的尺寸较小时，静电纺丝的稳定性会降低，且纤维产量也会减少。其次，静电纺丝过程中，容易发生聚集和交联，造成纤维有缺陷或不能形成，降低产量和质量。
三、 静电纺丝的应用
（一） 材料科学领域
静电纺丝技术在材料科学领域中有广泛的应用。可应用于制备纳米级材料，如纳米电子材料，纳米复合材料，纳米多孔陶瓷材料等。在制备过程中可以自由控制各项制备条件，如聚合物的种类，溶剂质量分数，电场强度，注射速度等，在控制粒子尺寸、形貌、组分、晶形、表面性质等方面具有显著优势。
丝素蛋白 静电纺丝
丝素蛋白 静电纺丝
丝素蛋白是一种重要的生物高分子材料，具有许多独特的性质和潜在的应用价值。而静电纺丝是一种制备丝素蛋白纤维的有效方法。本文将从丝素蛋白的特性、静电纺丝的原理和应用等方面进行探讨。
一、丝素蛋白的特性
丝素蛋白是一种由昆虫和蜘蛛等动物分泌的蛋白质，具有良好的生物相容性和生物降解性。它具有优异的力学性能，如高强度、高韧性和高弹性模量，使其成为一种理想的材料用于生物医学领域。此外，丝素蛋白还具有良好的吸湿性和透气性，能够促进伤口愈合和细胞生长。
二、静电纺丝的原理
静电纺丝是一种将溶液中的高分子物质通过电场作用使其形成纤维的方法。在静电纺丝过程中，首先将丝素蛋白溶液注射到注射器中，并通过高压电场使溶液形成带电的液滴。随后，液滴在电场的作用下逐渐拉伸和融合，形成纤维。最后，纤维被收集起来，经过后续处理获得丝素蛋白纤维。
三、静电纺丝的应用
静电纺丝可以制备出丝素蛋白纤维，这种纤维具有广泛的应用前景。在医学领域，丝素蛋白纤维可以作为组织工程支架用于修复组织缺损，如皮肤、骨骼和血管等。此外，丝素蛋白纤维还可以用于制备药物缓释系统，用于控制药物的释放速率和减少药物毒性。在纺织品领域，丝素蛋白纤维可以用于制备高性能的纺织品，如高强度的丝素蛋白纤维素皮肤和抗紫外线的丝素蛋白纤维素服装等。
丝素蛋白静电纺丝具有广泛的应用前景。通过静电纺丝制备的丝素蛋白纤维具有良好的力学性能和生物相容性，可应用于组织工程、药物缓释和纺织品等领域。然而，目前仍面临一些挑战，如静电纺丝过程中纤维的直径控制、纤维的力学性能优化以及大规模生产的实现等。因此，未来的研究方向应该集中在解决这些问题上，以推动丝素蛋白静电纺丝技术的发展和应用。
静电纺丝技术及其应用
静电纺丝技术及其应用
一、静电纺丝技术的原理与发展
静电纺丝技术是一种自然界广泛存在的电纺技术，是利用电场作用将高分子液体或熔融高分子材料拉细，形成纤维的方法。它与传统纺织方法不同，不需要梳理、捻合等步骤，能够制备纤维直径极小、比表面积极大的材料，并实现单纤维生产。
最早使用静电纺丝技术的是工业领域，在聚合物纺织品、人造革、电子产品等领域得到广泛应用。但随着纳米科技的发展，静电纺丝技术也逐渐被应用于纳米材料的制备领域，如纳米纤维、纳米颗粒、纳米管、纳米膜等。现在，静电纺丝技术已成为制备纳米材料的一种重要方法之一。
二、静电纺丝技术的优点
与传统纺丝技术相比，静电纺丝技术的优点主要有以下几个方面：
1、制备出的材料具有高比表面积和高通量；
2、生产的纤维具有较小的直径和高的拉伸强度；
3、制备出的纤维可以进行多级处理，并且可以降解；
4、生产的成本相对较低，同时可以进行大规模生产。
三、静电纺丝技术在各个领域的应用
1、纺织领域
静电纺丝技术可以制备出具有高性能、高强度的纤维，这些纤维可以应用于高科技纺织品、航空航天材料、医用纺织品等领域。
2、药物载体
静电纺丝技术可以制备出具有高比表面积和大孔径的微纳米纤维，这些纤维可以作为一种药物载体，有利于药物的缓释和控制释放。
3、环保领域
静电纺丝技术可以应用于制备过滤材料，可以去除空气中的PM2.5等有害物质，同时可以制备海绵材料，具有吸油、吸水、吸附等功能。
4、能源领域
静电纺丝技术可以制备出具有多孔结构的纳米材料，这些材料可以用于能源储存和转换，如制备锂离子电池、柔性太阳能电池等。
四、静电纺丝技术未来的发展
随着纳米科技的不断发展，静电纺丝技术也在不断地完善和发展。未来，它有望进一步提高产量、降低成本、改善稳定性，进而在更多领域得到广泛应用。
此外，近年来，一些新型静电纺丝技术不断涌现，如强场静电纺丝技术、高速静电纺丝技术等，这些新技术的出现将促进静电纺丝技术的进一步发展和应用。
静电纺丝又称为电纺丝,在1934年首先由Formhals[2]提出
~
静电纺丝法制备纳米纤维及成纱研究进展
董雅婕
（武汉纺织大学 机械学院）
摘要： 通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点，目前，静电纺丝纳米纤维在过滤材料、药物传递、伤口防护、骨架组织工程、航空航天及燃料电池材料等其他领域都有广泛的应用，甚至在生物医学、传感器以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。本文介绍了静电纺成纱原理及其影响因素， 概括了国内外静电纺纳米纤维纱成纱装置的进展，以及静电纺丝纳米纤维的应用现状。预计未来随着静电纺丝技术从实验室走向车间生产流水线，静电纺丝纳米纤维将会得到更加广泛的推广和应用。
关键词：静电纺丝；纳米纤维纱；成纱装置
0 引言
静电纺丝又称为电纺丝，在1934 年首先由Formhals[1,2]提出该技术并申请了专利，报道了高压静电场纺丝，当时并没有引起人们的注意。但是，随着纳米纤维研究的迅速升温，高压静电场纺丝技术又引起了人们对其深入研究的兴趣。目前，合成纳米纤维的方法很多，例如：分相法[3]，自组装法[4]，抽丝法[5]，模板合成法[6]等。分相法，又称相分离法，主要机理是通过两相的物理不相容性来实现，溶剂相被萃取出来，剩下另一相。该方法对设备要求低，可直接制备纳米纤维基质，但该方法局限于特定聚合物。自组装法的主要机理是分子间的力将小的分子结构单元组装在一起，形成纳米纤维，大分子纳米纤维的形状取决于小分子结构单元的形状。该方法易于获得较细的纳米纤维，但其过程复杂。抽丝法是通过显微控制器来控制一个直径为几微米的微型吸液管牵伸液滴来实现的。该方法对设备要求最低，缺点是其加工过程不连续。模板合成法指的是利用模板或模具获得所需的材料或结构。该方法的优点在于使用模板不同，可以得到不同直径的纤维。 ~
相对于前面所述几种纳米纤维的制造方法，静电纺丝法是一种简单有效制备纳米纤维的方法，其制造装置简单，纺丝成本低廉，能够制备长尺寸的、成分多样化的、直径分布均匀的纳米纤维，而且可以适用于大部分聚合物的连续电纺，到目前为止，已经报道的已经大约有100多种聚合物利用静电纺丝技术制备超细或者纳米纤维[7]。静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、吸附性和过滤性强、力学性能好等优点[8,9]，因此吸引了人们在众多领域对静电纺丝纳米纤维技术进行广泛的研究。
静电纺丝
静电纺丝技术的应用及其发展前景
材料成型09-3 陈桂宏 14095543
“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostaticspinning”,国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等等。早在上世纪30年代就有人在电纺技术上申请了一系列的专利，是人们早已知晓的一项技术。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，由于静电纺丝的可生产性较低，并没有引起人们的注意，直到近十年，由纳米技术的迅速发展，静电纺丝才再次引起世界各国研究学者的关注，并逐渐成为世界上用得到的最普遍生产纳米纤维的方法。通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。
图 1 静电纺丝装置图
1 静电纺丝技术原理及影响因素
静电纺丝的基本原理是:聚合物溶液或熔体在高压静电的作用下,会在喷丝口处形成 Taylor锥,当电场强度达到一个临界值时,电场力就能克服液体的表面张力, 在喷丝口处形成一股带电的喷射流。喷射过程中, 由于喷射流的表面积急速增大, 溶剂挥发, 纤维固化并无序状排列于收集装置上 ,从而得到我们需要的纳米纤维, 其装置图如图 1 所示。电纺技术制备的纤维直径可以在数十纳米到数
百纳米之间。 到目前为止, 已经报道有大约 100种聚合物利用静电纺丝技术制备出超细纳米纤维。
静电纺丝法的许多工艺参数相互密切联系,决定了纤维的直径大小和纤维的均匀性等性质。影响静电纺丝过程的因素主要有两个方面, 一是溶液的性质,包括溶液粘度, 表面张力等; 二是电纺设备参数, 如外加电压, 收集装置之间的距离
静电纺丝技术在纺织品制造中的应用研究
静电纺丝技术在纺织品制造中的应用研究
一、引言
静电纺丝技术是一种重要的纺织品制造技术，通过利用静电力将纤维从液滴状态转变为纺丝状，其制备的纺丝具有较小的纤维直径和较大的比表面积，具有广泛的应用前景。本文将对静电纺丝技术在纺织品制造中的应用进行研究。
二、静电纺丝技术概述
静电纺丝技术是一种基于静电原理的纺丝技术，其主要原理是通过高压电场产生的静电力将纤维从溶液中拉伸出来，形成细丝状。首先，将聚合物或其他溶液注入高压电场中的喷头，然后通过高压电场的作用，使溶液中的纤维在电场力的拉伸下形成细长的纺丝。最后，纺丝被固化形成纤维束。
三、静电纺丝技术在纺织品制造中的应用
1. 纺织品材料的制备
静电纺丝技术可以用于制备各种纺织品材料，如纤维素纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维等。这些纤维材料具有较小的直径和较大的比表面积，可以用于制备高性能的纺织品。此外，通过调整喷头和溶液的参数，可以制备出具有不同结构和性能的纺织品材料，如中空纤维、纳米纤维等。 2. 织物的加工与改性
采用静电纺丝技术可以对织物进行加工与改性。首先，通过静电纺丝技术制备得到的纤维可以直接用于织物的制作，形成具有良好柔软性和透气性的织物。另外，纺丝过程中还可以添加其他物质，如纳米粒子、功能性化合物等，使纺织品具有特殊的性能，如抗菌、防水、耐热等。此外，静电纺丝还可以制备出具有特殊结构的织物，如三维纺织品、多孔纺织品等。
3. 纺织品的功能性应用
静电纺丝技术制备的纺织品具有较小的纤维直径和较大的比表面积，使其表面具有很高的活性和可操作性，可以用于实现纺织品的多种功能性应用。例如，在医疗领域，可以应用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜，用于伤口敷料、药物缓释等应用；在能源领域，可以制备出具有高效吸附性能的纤维材料，用于油水分离、脱硫等应用；在环境领域，可以制备出具有高效过滤性能的纺织品，用于空气净化、水处理等应用。
四、静电纺丝技术的挑战与展望
虽然静电纺丝技术在纺织品制造中具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战。首先，静电纺丝技术的设备成本较高，需要较复杂的工艺流程和专业的操作技术。其次，纺织品的性能与纤维的直径、结构等有关，需要进一步研究和优化。此外，静电纺丝技术还需要解决纺织品的成本、规模化生产等问题。
静电纺纳米纤维的研究及应用进展
第２９卷第３期 ２００６年６月 台成纤维工业 ＣＨＩＮＡ ＳＹＮＴＨＥ Ｉ＇ＩＣ ＦＩＢＥＲ ＩＮＤＵＳＴＲＹ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２ｏｏ６
静电纺纳米纤维的研究及应用进展
刘娜杨建忠
（西安工程科技学院，陕西西安７１００４８）
摘 要：简述了静电纺丝基本原理及纺丝过程中射流存在的儿种不稳定性形式；探讨了静电纺丝制备纳米 纤维的主要影响因素。回顾了静电纺丝的发展历程，介绍了纳米纤维在电了器件、生物医学领域、滤材、防护 服用材料纤维增强复合材料及传感器感知膜等方面的应用。指出静电纺纳米 维性能优异、应用广泛，应用 于生物 学领域是研发热点，必将进一步产业化。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用进展 中图分类号：ＴＱ３４０．６４ 文献识别码：Ａ 文章编号：１００１．００４１（２００６）０３．００４６．０４
２０世纪９０年代后期，科学家们对于纳米纤
维制备及应用的研究达到高潮，开发了一系列制 备聚合物纳米纤维的方法¨“ｊ，如纺丝、模板合成
法、相分离法、自组装法以及静电纺丝法等。与上
述方法相比，静电纺制备聚合物纳米纤维具有设 备简单、操作容易以及高效等特点，冈此它被认为
是制备聚合物连续纳米纤维最有效的方法。
１静电纺丝技术
１．１静电纺丝基本原理
静电纺丝法 即聚合物喷射静电拉伸纺丝 法，与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或
熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物
液滴在电场力的作用下在毛细管的Ｔａｙｌｏｒ锥顶点
被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表 面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸
发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造 布状的纤维毡 。
在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静
电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管
末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而 导致了射流在电场中的拉伸。 １．２静电纺丝中射流的不稳定性
不稳定性是一种所谓的传递现象，即导致流 动不稳定性的每一种模式可能起源于某一扰动或