山东寿光潍坊科技学院， 韩维华 262700
摘要：静电纺丝技术因其在制备一维纳米材料时，展现的低价高效、简单易操作等特点，一时成为国内外研究热点。本文就纳米纤维的产品，从维数角度出发进行分类综述。一维纳米线、二维纳米薄膜、三维纳米纤维体和基于所述三种结构的代表性应用将被讨论。
关键词：静电纺丝；纳米纤维；结构
1静电纺丝简介
静电纺丝技术应属于纳米机电制造系统的一员，又称“电纺”。严格来说，电纺起源应追溯到1934年Formhals申请的美国专利[1]。专利中公布了利用高压静电制备纤维的装置及方法，但在当时并未引起巨大轰动。直到上个世纪90年代,美国Reneker课题组对电纺工艺、参数等进行了详细研究[2]，从此电纺进入了快速发展期。特别是近20年，电纺行业飞速发展。应用领域涉及过滤、催化、生物医用材料、电子器件等。
传统静电纺丝装置主要包含高压直流电源、纺丝喷头（与纺丝液盛放器具相连，一般实验中直接选择带针头的医用注射器）和收集极三大部分。高压直流电源为电纺提供几千伏到几十千伏高压；纺丝喷头与高压直流电源的正极相连；收集极与高压直流电源的负极相连。电纺开始，将纺丝液装于与纺丝喷头相连的注射器当中，当溶液流经纺丝喷头处，便会在尖端形成液滴。由于强大的电场力拉伸作用，液滴由球状变为泰勒锥状，当电场力克服溶液表面张力时，便会形成射流。射流会在电场中拉伸、劈裂、细化，最后以纳米纤维的形式沉积到收集极上。
影响电纺因素有很多，其中最关键的包括：纺丝液性质、纺丝电压、纺丝距离、环境温度以及收集极的形态和运动状态。具体地，纺丝液必须具有适当的黏度和浓度，而且须有适当的电导率才能通过电纺制备纳米纤维。纺丝电压和纺丝距离需整体设置恰当，一般纺丝距离10到20厘米，相应纺丝电压为10到20千伏，从而保证约1000伏/厘米的电场强度。但是纺丝距离不能过小，因为射流的劈裂拉伸需要空间。而过小的纺丝空间势必会影响纤维的细化，从而达不到纳米级别。环境温度会影响纺丝液的黏度和纤维在固化过程中溶质溶剂的分离，从而影响纤维的成形速率。收集极的形态和运动状态直接影响纤维形貌（无序、有序、图案化等）。
2一维产品电纺
一维产品主要指纳米纤维单根线结构。单根纳米线的应用受自身条件限制，应用范围不是特别广。其中代表性应用是纳米通道的制作。制备一维纳米线有直接制备和间接制备两种方式。用近场电纺[3]（纺丝距离一般小于1厘米）和离心电纺[4]（旋转离心力代替部分电场力）均能获得单根的、形貌较好的纳米纤维。还有一种方法是制备悬空搭连的纳米纤维，可以准有序也可以无序，然后再人工或者机械挑选出单根纤维进行下一步操作或应用。但是，第二种方法操作要求极高，且从现在正流行的规模化制备趋势而言，不值得提倡或推广。
一般，单根纳米纤维的调控或再加工也称为一维操作，例如，两根纳米纤维的缠绕、垂直相交、呈一定角度相交等。
3二维产品电纺
二维产品主要指纳米纤维膜结构，其中又包含有序纤维集成和无序纤维集成。目前，市场上基于纳米纤维的应用主要依托于膜结构，占电纺纳米纤维应用的70%以上。纳米纤维的有序集成属于干涉操作，这是相对于无序纤维集成而言的。因为在正常情况下，依靠传统静电纺丝制备的纳米纤维是呈无序状态分布的，最终纤维产品为无纺布。获得有序纳米纤维方法有很多，其中前文提及的离心电纺[4]就是代表之一，此外还有复合框架收集法[5]，旋转滚筒收集法[6]等动态收集。另外，基于纳米纤维自沉积的双环收集法（双环相对放置，相对距离与纺丝距离大致相当即可）也能获得有序度较高的纤维。
从无序纤维和有序纤维集成的应用中各举一例作简单介绍。无序纤维的过滤功能：青岛聚纳达防雾霾纱窗。基于纳米纤维直径和孔隙率的设计，防雾霾纱窗可以有效阻隔雾霾和灰尘，PM2.5颗粒过滤效率达95%。纱窗制备过程中通过复合疏水材料、杀菌材料便可实现纱窗的通风、隔水、阻雾霾的功能。有序纤维的电荷快速输运功能：传感器。据研究，制备传感器的敏感性有序纤维优于无序纤维。原因是电荷沿轴向传输的能力更强，并且传输过程中可有效减少电荷定向运动时的散射。
4三维产品电纺
三维产品主要指纳米纤维体结构，其中又包含大（长宽/高）的膜结构和宏观意义（厘米级别）上的纤维堆垛。目前三维纳米体的应用主要集中在超级电容器、人工肌肉、生物组织培养等领域。对于纤维体结构，又可细分为绳状、面板状和堆垛状。下面将针对三种结构主要制备方法做简要说明。绳状结构：首先获得有序度较高的纳米纤维束（离心电纺[4]、复合框架[5]、滚筒收集[6]等都可帮助获得），然后利用电机对纤维进行旋转操作，最后就可获得所需结构（有时也称为“绞线”结构）。面板状：应用最多的操作是近场电纺（也可称为“近场打印”）。从目前研究来看，近场打印有与3D打印技术融合的趋势。堆垛状：掺杂电纺和直接电纺均能获得。区别就是掺杂电纺可提高三维成形的速率，因为应用直纺的方式，只要时间足够长便可获得宏观三维体结构，但是这种方法不提倡。另外电纺的后处理也能帮助制备三维纳米体结构，而且是具备特定形貌的三维结构：其一，将制备的无序纤维堆垛体置于特定形状的模具中然后机械挤压获得；其二，将制备的无序纤维堆垛利用先进加工方式进行加工处理，例如激光烧蚀。
目前，三维纳米纤维结构应用较多的是生物组织工程中的细胞培养。选择生物相容性有机材料制备成具有空间支撑结构的纤维体。在合适的组织液中，温度、湿度等条件设置得当，细胞便可依附其进行生长。此类研究已见于皮肤、血管、骨组织的培养。但是就个人观点而言，目前对真正具有空间力学支撑性能的三维纤维体研究尚未成熟。
5结语
静电纺丝技术在纳米纤维制备上具有极大优势。随着纳米纤维应用的不断扩展、纤维产品维数的不断增加，电纺势必会再次展现其巨大的科研和商业价值。本文简要介绍其原理和涉及的产品及应用，为行业相关人员提供参考。
参考文献
[1]Formhals A. Process and apparatus for preparing artificial threads[P], US 1975504 A,1934.
[2]Reneker D H, Yarin A L, Fong H, et al. Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning[J]. Journal of Applied physics. 2000, 87(9): 4531-4547.
[3]Sun D, Chang C, Li S, et al. Near-Field Electrospinning[J]. Nano Letters, 2006, 6(4): 839-842.
[4]Li M, Long Y, Yang D, et al. Fabrication of one dimensional superfine polymer fibers by double-spinning[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(35): 13159.
[5]Zheng J, Long Y, Sun B, et al. Aligned nanofiber arrays and twisted nanofiber ropes via electrospinning with two frames collector[J]. Advanced Materials Research, 2013, 690-693: 523-526.
[6]Katta P, Alessandro M, Ramsier RD, et al. Continuous electrospinning of aligned polymer nanofibers onto a wire drum collector[J]. Nano Letters, 2004, 4(11): 2215-2218.