靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

張競之

摘 要：隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，其發(fā)展前景也十分的廣闊，首先介紹了靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維的原理以及影響制備納米纖維形貌因素，然后從靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、能源發(fā)電、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的作用進(jìn)行了介紹，最后對(duì)靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲技術(shù);納米纖維;發(fā)展前景

引言

納米技術(shù)的快速發(fā)展也讓靜電紡絲得到了世界各國研究學(xué)者的關(guān)注，直到目前依舊有越來越多的科研工作者對(duì)靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了研究。靜電紡絲技術(shù)有著操作方便、工藝簡單、制造速度快等優(yōu)點(diǎn)，例如從制備納米纖維來說，納米纖維一般是指直徑在1-100mm之間的超細(xì)纖維，制備納米纖維有很多種方法，例如微相分離、模板聚合法、拉伸法以及靜電紡絲等，而目前靜電紡絲技術(shù)是唯一一個(gè)能夠直接連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法，也漸漸地在醫(yī)療、能源發(fā)電、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。

一、靜電紡絲技術(shù)介紹

靜電紡絲法即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法，它與傳統(tǒng)方法截然不同。典型的靜電紡絲裝置是由高壓治療電源、噴射裝置（如毛細(xì)管）和收集裝置組成，首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。細(xì)流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化，最終落在接收裝置上。

靜電紡絲技術(shù)在制備納米纖維影響形貌的因素包含溶液性質(zhì)，可控變量以及環(huán)境參數(shù)。溶液性質(zhì)如溶液濃度、溶液粘度和電荷密度等;可控變量如靜電壓、注射速度、接受距離;環(huán)境參數(shù)如溶液溫度、氣流溫度等。

二、靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用

（一）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

靜電紡絲聚合物納米纖維的生物相容性和組織結(jié)構(gòu)相似在組織工程支架、藥物釋放、細(xì)胞培養(yǎng)等方面都得到了應(yīng)用;組織工程是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，對(duì)生物代替品的發(fā)展改善以及保護(hù)都提供了有利的條件，靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維為組織工程中的細(xì)胞生長、三維新組織的生長等提供了生長的環(huán)境，而且靜電紡絲技術(shù)是一種非常簡單高效的方法;使用靜電紡絲方法，可以很容易制備出三維結(jié)構(gòu)的納米纖維，所以在細(xì)胞培養(yǎng)方面可以運(yùn)用該技術(shù)，前期也有人通過研究得出，靜電紡絲技術(shù)制備殼聚糖納米纖維膜的生物相容性良好，并且沒有毒性作用，有利于肝細(xì)胞在其表面生產(chǎn)，所以殼聚糖對(duì)生物反應(yīng)器中細(xì)胞的活性有效的改善，并維持細(xì)胞功能;另外，核/殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維在組織工程，藥物控釋等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上發(fā)揮的作用極為重要，與靜電紡絲相同原理的同軸靜電紡絲也是這幾年來重大的突破，與靜電紡絲的區(qū)別就在于后者使用了兩個(gè)內(nèi)景不同的毛細(xì)管，從而使噴嘴噴出的材料液體分層，再經(jīng)過拉伸固化成為具有核/殼結(jié)構(gòu)的納米纖維。

（二）能源發(fā)電

靜電紡絲制備的高分子導(dǎo)電膜，例如保護(hù)典韋、經(jīng)典小號(hào)、柔性傳感器等方面具有良好的應(yīng)用前景;其次，電化學(xué)反應(yīng)而定速度與纖維電極的表面積成正比，所以在電解質(zhì)電池和高性能的電池方面同樣也可以用纖維導(dǎo)電膜;而通過靜電紡絲技術(shù)制備的導(dǎo)電纖維電池的特點(diǎn)具有靈敏度高、不漏液等。

（三）環(huán)境保護(hù)

環(huán)境的保護(hù)是人們一直提倡的，在紡織上，如何解決環(huán)境的問題就是要高效的以及低成本，靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維直徑小，所以表面活性以及表面能較大，而且它還具備良好的保持電核的能力，從而增強(qiáng)了纖維的經(jīng)典吸附能力和阻隔性，但是纖維強(qiáng)度較低，單獨(dú)使用的話很難達(dá)到力學(xué)性能要求，也因此導(dǎo)致了范圍的限制，姚春梅等人在采用聚乳酸熔噴非織造布為基布，用靜電紡絲技術(shù)來制備乳酸纖維并覆蓋在基布上，最終得到了性能優(yōu)良的過濾材料;另外，企業(yè)對(duì)紡織印染后的污水一直難以處理好，通過制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯晴納米纖維膜來精華肺水腫亞甲基藍(lán)染料，其對(duì)污水的處理效果明顯。

除此之外，靜電紡絲技術(shù)在其他的領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用，而且靜電紡絲制備的納米纖維較比于其他方法制備的納米纖維相比，在纖維直徑小、表面積大以及納米絲可以很長等方面都具有獨(dú)立無二的特征。

三、靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)如今，靜電紡絲技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)和高科技領(lǐng)域有了很好的應(yīng)用并且有非常廣的開發(fā)潛力，可以說是靜電紡絲的理論模型研究在不斷地深入，但是因?yàn)殪o電紡絲技術(shù)剛得到關(guān)注不就，其中還存在著不少的問題，例如精確描述紡絲液在靜電場(chǎng)中流體的不穩(wěn)定性，在交流電場(chǎng)下Taylor錐的形成原理，以及如何運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)的研究成果使紡絲技術(shù)進(jìn)一步的優(yōu)化，這些問題都是值得我們研究以及探討的。

其次，在環(huán)境的保護(hù)上，靜電紡絲技術(shù)現(xiàn)在逐漸被廣泛使用，而它本身的弊端也隨著廣泛應(yīng)用而暴露出來，例如容易對(duì)環(huán)境污染的溶劑，并且在揮發(fā)時(shí)還會(huì)是原料的浪費(fèi)，生產(chǎn)率低，無毒環(huán)保型的納米纖維又無法及時(shí)生產(chǎn)出來，特別是在組織工程，生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中，所以，對(duì)這種需求越來越迫切，在這個(gè)問題中熔融型靜電紡絲技術(shù)占有著巨大的優(yōu)勢(shì)，在這一方面可以持續(xù)發(fā)展。

再者，靜電方式技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)是制備連續(xù)有序的納米纖維、大規(guī)模生產(chǎn)以及商業(yè)化，但如今的靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維仍然達(dá)不到目標(biāo)，所以在這一方面仍需要繼續(xù)發(fā)展;最后就是制備的納米纖維大多數(shù)的強(qiáng)力都很低，無法單獨(dú)使用，需要依賴其他的材料作為支撐，這也就局限了它的適用范圍和應(yīng)用推廣，所以，對(duì)于納米纖維強(qiáng)力的提高也是我們未來發(fā)展的趨勢(shì)。

四、結(jié)論

靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在了各個(gè)領(lǐng)域，并且也取得了巨大的成果，然而由于靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展起步較晚，現(xiàn)如今仍然存在許多的弊端，例如紡絲液在靜電場(chǎng)中流體的不穩(wěn)定性、對(duì)環(huán)境污染的減少、未能達(dá)到最終目標(biāo)以及納米纖維大多數(shù)強(qiáng)力不高等方面，這些對(duì)于實(shí)際使用的范圍都有影響，所以在未來的持續(xù)發(fā)展中，這幾個(gè)方面將會(huì)是發(fā)展的趨勢(shì)，特別是在易生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、能源發(fā)電以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

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