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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。

图1-5泰勒锥的形成过程

20世纪90年代，Reneker研究小组对静电纺丝技术的研究，引起了科研人

员的广泛关注，其在英国Nanotechnology杂志上发表了关于静电纺丝技术制备

聚合物纤维及其应用展望的综述论文，至今引用率已超过2000次。进入21世纪

后，静电纺丝技术进入了快速发展时期，静电纺纤维的成型机理及过程逐渐被揭

示。随着高分辨率、高速摄影设备的出现，研究者逐渐认识到溶液射流在高压静

电场中的运动及变化规律，并先后对静电纺丝初始阶段泰勒锥形状、锥角以及临

界电压等进行了更为深入的研究。随后，静电纺纤维的可纺聚合物原料范围大大

拓宽，通过与其他聚合物溶液共混，一些不能纺丝的聚合物也被成功地制备成了

静电纺纤维，如聚乙烯亚胺、聚苯胺等。同时，静电纺纤维组成成分与形貌结构

从单一变得多样化，随着对纺丝原理的深入理解与纺丝设备的开发，研究者可以

制备出各种组分与形貌结构的静电纺纤维。此外，静电纺纤维的研究由制备表征

转向应用并逐步从小规模制备向批量化生产转变，Elmarco、Electrospun、

NaBond、Holmarc、Opto-Mechatronics、E-SpinNanotech等公司均有规模化静

电纺丝设备销售。

2静电纺丝基本理论

静电纺丝是静电雾化的一个特例。当带电液体为小分子液体或低黏度的高分

子液体，施加在喷头末端的电压超过某一临界值时，就会喷射出微小带电液滴，

这一过程即为静电雾化，主要形成的是微/纳米级的气溶胶或者聚合物微球。当

带电液滴为具有一定黏度的高分子溶液或熔体时，若液体表面的电荷斥力大于其

表面张力，就会在喷头末端的泰勒锥表面形成高速飞行的聚合物射流。射流在电

场力的作用下产生拉伸形变，同时伴随着溶剂挥发与聚合物固化，最终沉积在接

收器上，形成聚合物纤维，这一过程即为静电纺丝。

2.1射流形成的临界条件

在静电雾化过程中，由于带电液滴表面产生的静电斥力与表面张力的不平衡

引起了液滴的不稳定性。处