靜電紡絲是一種利用表面經(jīng)典排斥作用，以粘性流體為原料，簡(jiǎn)便、通用、連續(xù)地制備納米纖維的方法。靜電紡絲制備的納米纖維，其直徑可以達(dá)數(shù)十納米，納米纖維的材料范圍廣泛，包括高分子、陶瓷、小分子以及其復(fù)合物。除了可以制備表面光滑的納米纖維，靜電紡絲發(fā)還可以制備具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的納米纖維，包括孔、空腔、核-殼結(jié)構(gòu)等。納米纖維的表面和內(nèi)部可進(jìn)一步地加入分子或納米顆粒修飾，這一過(guò)程可在靜電紡絲過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行、也可在納米纖維形成之后進(jìn)行。另外，對(duì)納米纖維進(jìn)行排列、堆垛、折疊，可組裝形成有序結(jié)構(gòu)或分級(jí)結(jié)構(gòu)。這些特性使得靜電紡絲被廣泛應(yīng)用于空氣過(guò)濾、水處理、異相催化、環(huán)境保護(hù)、智能織物、表面涂層、能量的收集轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)、封裝生物活性材料、藥物緩釋、組織工程、再生醫(yī)學(xué)等。

靜電紡絲即在高壓靜電下用聚合物溶液進(jìn)行紡絲的過(guò)程。靜電紡絲可以制備直徑在幾十到幾百納米的纖維，產(chǎn)品具有較高的孔隙率和較大的比表面積，成分多樣化，直徑分布均勻，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程以及紡織等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。常見(jiàn)的靜電紡絲納米纖維在過(guò)濾以及個(gè)體防護(hù)方面可以用于水處理、防護(hù)服、口罩等；在傳感器領(lǐng)域可以用作電阻傳感器、光學(xué)傳感器等；在化工領(lǐng)域可以用于催化劑等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以用于傷口敷料、組織工程支架、藥物載體等。

在材料、生物工程等科研中利用高壓靜電場(chǎng)對(duì)高分子溶液的擊穿作用來(lái)制備納微米纖維材料；基本原理是在噴射裝置（注射泵）和接收裝置間施加高壓的靜電場(chǎng)，從注射器的錐體端部形成射流，并在電場(chǎng)中被拉伸，最終在接收裝置上形成無(wú)紡狀態(tài)的納米纖維。

1.靜電紡絲的裝置和基本原理

靜電紡絲的裝置包括四部分：高壓電源、注射泵、噴絲頭、接收器。當(dāng)粘彈性流體被推出噴絲頭時(shí)，表面張力會(huì)促使其形成球形液滴。而由于噴絲頭上外加了高電壓，使液滴表面帶同種電荷。當(dāng)靜電排斥作用足夠強(qiáng)時(shí)，可以抵消表面張力作用，此時(shí)液滴不是球形而是圓錐形。開(kāi)始噴絲后，液體首先進(jìn)入錐-射流區(qū)（cone-jet），在表面電荷排斥和強(qiáng)電場(chǎng)的共同作用下，射流直徑越來(lái)越小、直至發(fā)生彎曲。之后射流進(jìn)入鞭動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)（whipping instability）,射流加速的同時(shí)如鞭子一樣擺動(dòng)，在此射流直徑大幅下降、溶劑揮發(fā)。最終，射流固化形成超細(xì)直徑的纖維。

靜電紡絲

典型靜電紡絲裝置圖—平行式

2.靜電紡絲影響因素

高壓電源的正極與負(fù)極分別與注射器針頭和接收裝置相連，而接收裝置的形式也是多樣化的，可以是靜止的平面、高速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒、圓盤(pán)，或特殊形狀的支架模具等。紡絲的參數(shù)設(shè)置、環(huán)境條件等對(duì)紡絲的效果影響至關(guān)重要。

影響靜電紡絲的因素和工藝參數(shù)有很多，可以歸為2類(lèi)：①體系因素，包括聚合物的分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布和溶劑性質(zhì)如（粘度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)和表面張力）等；②電紡工藝參數(shù)，包括施加的電場(chǎng)強(qiáng)度、溶液濃度、溶液流動(dòng)速率、噴絲口的尺寸、噴絲口與接收器的距離和環(huán)境條件（溫度、濕度、空氣流動(dòng)速率）等。其中溶劑的選擇、注射速度的穩(wěn)定、溶液濃度、施加的電場(chǎng)強(qiáng)度與噴絲口與接收器的距離是影響紡絲的主要因素。

3.注射泵注意事項(xiàng)

● 紡絲裝置要放置在一個(gè)有金屬屏蔽的箱體內(nèi)；

● 屏蔽箱和注射泵必須接地線；

● 注射泵和高壓靜電設(shè)備最好不要共用一個(gè)電源。

從高分子纖維到陶瓷納米纖維：靜電紡絲最初是利用高分子溶液、制備高分子納米纖維的技術(shù)。當(dāng)結(jié)合溶膠凝膠法后，其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到復(fù)合納米纖維和陶瓷納米纖維。最早人們以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和鈦酸四丁酯為原料、用靜電紡絲法制備無(wú)定形 TiO2 納米纖維，空氣中煅燒后除去有機(jī)物。類(lèi)似的方法可以用來(lái)制備系列氧化物的納米纖維。

多孔納米纖維：在本為實(shí)心的納米纖維中形成多孔結(jié)構(gòu)能有效提高其比表面積。主要策略是（1）選擇性去除納米纖維中的一種組分，例如將復(fù)合納米纖維中的聚合物燒掉、留下多孔陶瓷纖維；（2）在完全固化前誘導(dǎo)產(chǎn)生聚合物-溶劑相分離，例如直接將紡絲噴入液氮中，用冷凍干燥法得到多孔高分子納米纖維。

定向排列的納米纖維：當(dāng)接收器為導(dǎo)體時(shí)，納米纖維取向是無(wú)規(guī)的。但是在很多應(yīng)用中需要定向排列的納米纖維。實(shí)現(xiàn)納米線的定向排列可以（1）利用機(jī)械法，通常是使用一個(gè)轉(zhuǎn)軸作為接收器，纖維按照旋轉(zhuǎn)方向定向排列；（2）利用磁場(chǎng)控制，在聚合物溶液中加入少量磁性納米粒子使得納米纖維具有磁性，這樣可以得到單項(xiàng)排列的陣列；（3）作者特別介紹了他們利用電場(chǎng)控制納米纖維取向的方法：在接收器上加入特定的電極，利用靜電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)紡絲的定向排列；通過(guò)調(diào)制電場(chǎng)能形成特殊的紡絲花樣。

納米纖維作為催化劑載體：在利用貴金屬納米顆粒進(jìn)行異相催化時(shí)，通常使用氧化物作為載體。使用納米陶瓷纖維形成的無(wú)紡布薄膜作為催化劑載體時(shí)，其具有多孔、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，此外不同的氧化物對(duì)貴金屬催化劑的電子結(jié)構(gòu)有不同的調(diào)制作用。作者在此主要討論了氧化物避免貴金屬高溫?zé)Y(jié)的問(wèn)題。

納米纖維作為組織工程學(xué)的支架材料：靜電紡絲納米纖維被廣泛研究用于組織工程學(xué)，這是由于其能夠模擬細(xì)胞外間質(zhì)（ECM）的分級(jí)結(jié)構(gòu)。作者課題組將其作為支架結(jié)構(gòu)，用于調(diào)控細(xì)胞行為和組織再生。具體包括模擬細(xì)胞外間質(zhì)的結(jié)構(gòu)以調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)形態(tài)；誘導(dǎo)細(xì)胞遷移以促進(jìn)硬腦膜組織再生；誘導(dǎo)和促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞軸突伸長(zhǎng)；促進(jìn)肌腱到骨的組織再生。