靜電紡納米纖維材料的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071

傳統(tǒng)納米纖維主要指微米級(1.000～10.000 μm)纖維[1]，涉及神經(jīng)纖維、超細(xì)纖維。而近幾年逐漸發(fā)展的納米纖維主要指亞微米級(0.100～1.000 μm)纖維[2]，涉及膠原蛋白原纖、靜電紡纖維、熔噴納米纖維、復(fù)合紡納米纖維、碳納米纖維等；還指納米級(0.001～0.100 μm)纖維[3]，涉及細(xì)菌纖維素纖維、金屬納米線、碳納米管纖維、靜電紡纖維、復(fù)合紡納米纖維等。纖維直徑的細(xì)化是纖維材料發(fā)展的主要趨勢之一。纖維經(jīng)細(xì)化后具有直徑小、孔隙率高、孔徑小、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)[4]。靜電紡絲設(shè)備是一種可以生產(chǎn)超細(xì)納米纖維或微納米纖維的設(shè)備。利用靜電紡絲設(shè)備制得的纖維細(xì)長且表面光潔，并具有較大的比表面積[5-6]。目前，作為納米纖維的基礎(chǔ)，靜電紡纖維已成為應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

1 靜電紡納米纖維的優(yōu)勢

靜電紡納米纖維屬超細(xì)納米纖維。超細(xì)納米纖維的生產(chǎn)方法主要包括以下四種：

(1) 靜電紡絲法。目前，靜電紡納米纖維在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展的同時，也逐漸在向功能化的方向發(fā)展。靜電紡納米纖維種類多樣，主要包括靜電紡皮芯結(jié)構(gòu)納米纖維、靜電紡高力學(xué)性能聚丙烯腈納米纖維、靜電紡功能纖維、靜電紡可降解納米纖維等[7]。

(2) 熔噴法。熔噴法是目前最常規(guī)、使用最廣泛的方法之一[8]。

(3) 溶液噴射法。該方法是靜電紡絲法與熔噴法的集成，制備的纖維具有比靜電紡絲法更細(xì)的直徑和更高的效率[9-10]。

(4) 離心法。

其中，靜電紡絲法作為目前最熱門的生產(chǎn)方法之一，正在向量產(chǎn)化的方向發(fā)展。

靜電紡納米纖維優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在可紡原料廣泛、結(jié)構(gòu)可調(diào)且形貌多樣、纖維比表面積大等方面[11]。

1.1 可紡原料廣泛

靜電紡設(shè)備可紡原料分類及實(shí)例如表1所示。

表1 靜電紡設(shè)備可紡原料分類及實(shí)例

1.2 結(jié)構(gòu)可調(diào)且形貌多樣

靜電紡納米纖維的單纖結(jié)構(gòu)主要有帶狀、螺旋狀、鞭炮狀、谷粒狀、核殼狀、多孔狀等，其聚集體結(jié)構(gòu)主要有無規(guī)取向型、取向型、圖案化型、二維納米蛛網(wǎng)型等。

1.3 比表面積大

靜電紡納米纖維直徑小、比表面積大，因此其表面能和活性大，故而會產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，這將在物理、化學(xué)方面產(chǎn)生特異性[12]52-56。

2 納米纖維靜電紡絲加工技術(shù)發(fā)展歷程

靜電紡絲主要是利用電場的作用，將聚合物溶液或熔體從毛細(xì)管口處抽出形成射流，經(jīng)擺動、蒸發(fā)、細(xì)化等過程，得到納米級超細(xì)纖維的[13]。在靜電紡絲裝置中，噴頭類型直接影響纖維的品質(zhì)、產(chǎn)量等，故噴頭在靜電紡絲裝備中屬核心部件[14]。傳統(tǒng)納米纖維靜電紡絲加工技術(shù)主要經(jīng)歷了傳統(tǒng)單針頭式、多針頭式兩代。表2列舉了無針式靜電紡絲技術(shù)發(fā)展歷程。

表2 無針式靜電紡絲技術(shù)發(fā)展歷程

除表2介紹的之外，噴頭的形式還在逐漸多樣化，如出現(xiàn)了圓形飽和液面噴頭、多層圓形飽和液面噴頭、雙圓環(huán)狹縫噴頭、球形分離電場控制刷式噴頭等。靜電紡絲裝置逐漸向簡單化、高產(chǎn)化方向發(fā)展，且靜電紡絲裝置的更新?lián)Q代使靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域得到逐漸擴(kuò)大。

3 靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域

靜電紡絲技術(shù)及其設(shè)備的多樣化拓寬了靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域。靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用主要涉及醫(yī)療衛(wèi)生、生物科技、交通運(yùn)輸、環(huán)境工程、紡織服裝、能源、航天航空及其他工業(yè)領(lǐng)域[15]。下文就靜電紡納米纖維材料在一些主要領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 環(huán)境工程

3.1.1 空氣過濾材料

空氣污染的逐漸加重會使得霧霾影響的范圍逐漸擴(kuò)大且持續(xù)時間逐漸延長。PM2.5不僅會嚴(yán)重影響環(huán)境和機(jī)械設(shè)備，帶來內(nèi)部灰塵、部件磨損等危害，還會進(jìn)一步威脅到人體健康，如引發(fā)塵肺、心肌梗塞、血栓等[16]。

現(xiàn)有的商業(yè)化空氣過濾材料用纖維主要包括熔噴纖維、玻璃纖維、靜電紡納米纖維等[17]。其中，熔噴纖維直徑粗、孔徑大且過濾效率低；玻璃纖維脆性大、性能不穩(wěn)定；靜電紡納米纖維具有直徑小、孔徑小、孔隙率高等特點(diǎn)，在過濾材料領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值[18]。市場上常見的靜電紡納米纖維過濾材料制成品主要包括納米口罩、納米纖維復(fù)合濾紙、納米纖維紗窗等。

3.1.2 水過濾材料

飲用水一旦被污染，其中會含有大量的污染物，如細(xì)菌、病毒、重金屬、農(nóng)藥殘留、雜質(zhì)、泥沙、鐵銹等，這會造成嚴(yán)重的危害，如引發(fā)多種疾病、影響工業(yè)生產(chǎn)、降低土壤質(zhì)量等[19]。靜電紡納米纖維飲用水超濾材料具有親水、厚度小、孔隙率高、通量高、便于清洗、能量消耗低等優(yōu)勢，利用其可有效避免飲用水污染造成的危害[20]。

3.1.3 油水分離材料

目前，頻繁發(fā)生的漏油事故及工業(yè)廢油的排放導(dǎo)致每年有3.2億t的油污進(jìn)入水體，造成嚴(yán)重的危害，如破壞生態(tài)環(huán)境、威脅人類健康、浪費(fèi)石油資源等[21]。當(dāng)前，常用的油污處理方法主要有吸油氈吸附法及油水乳液膜分離法，但這兩種方法均存在吸附量小、分離精度低、使用耐久性差等問題。靜電紡納米纖維油水分離材料可以有效地解決這一問題。

3.2 防水透濕

目前，常用的防水透濕膜主要是Gore-tex的聚四氟乙烯(PTFE)雙向拉伸膜，該膜透濕及防水性能優(yōu)異，但存在技術(shù)壟斷、價格昂貴、廢棄后難以回收等缺點(diǎn)[22]。熱塑性聚氨酯(TPU)親水性膜雖具有一定的防水性，但存在透濕性差、遇水易變形、尺寸穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。靜電紡納米纖維防水透濕膜具有防水透濕性好、成本低、尺寸穩(wěn)定性好、廢棄后易回收等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 輕質(zhì)保暖

現(xiàn)有的天然纖維保暖材料如棉絮、羽絨等，雖具有保暖性好、天然無公害等優(yōu)點(diǎn)，但存在易蟲蛀、資源有限、吸濕易板結(jié)等缺點(diǎn)；合成纖維保暖材料雖具有防腐抗蛀、濕態(tài)保暖性好等優(yōu)點(diǎn)，但易產(chǎn)生靜電，舒適性較差[23]。另外，上述保暖材料均存在面密度大、回彈性差、保暖性能難以進(jìn)一步提升等問題。由靜電紡納米纖維材料制成的超輕、高彈新型纖維類氣凝膠能有效解決這些不足。

3.4 生物醫(yī)療

靜電紡納米纖維材料在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括組織工程支架、醫(yī)用敷料、蛋白分離與純化材料等。

3.4.1 組織工程支架

傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)板無法模擬細(xì)胞的三維生長環(huán)境。3D多孔支架使細(xì)胞易黏附在實(shí)心孔壁上。3D微米纖維支架使細(xì)胞易黏附在單根纖維上。靜電紡納米纖維膜支架可以使細(xì)胞在纖維上均勻分布，細(xì)胞在支架中呈三維分布，且此靜電紡納米纖維膜支架具有纖維直徑小、比表面積大、孔隙連通性好、利于細(xì)胞黏附和遷移等優(yōu)勢，是理想的組織工程支架材料。

3.4.2 醫(yī)用敷料

靜電紡納米纖維敷料具有吸收性好、可選擇性滲透、貼合性好、無疤痕等優(yōu)勢。

3.4.3 蛋白分離與純化材料

現(xiàn)有的蛋白分離與純化材料主要包括凝膠顆粒材料和微米纖維膜材料。前者雖粒徑小、內(nèi)部交聯(lián)多孔，但阻力壓降大、液體流速?。缓笳唠m阻力壓降小、通量大，但負(fù)載量小[24]。通過靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面改性，得到的靜電紡納米纖維蛋白分離材料具有高吸附量、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 能源

3.5.1 鋰離子電池

鋰離子電池應(yīng)用廣泛，其中鋰離子隔膜是鋰離子電池的核心材料之一。商業(yè)化的聚烯烴隔膜具有孔隙率低、對電解液浸潤性差、吸液能力弱、耐溫性差等缺點(diǎn)[25]。靜電紡納米纖維膜具有高孔隙率、高安全性等優(yōu)勢，對提升鋰離子電池的性能具有重要意義。

3.5.2 超級電容器

超級電容器的核心是電極材料。目前，金屬氧化物電極材料雖然比容量高，但價格昂貴，還污染環(huán)境；導(dǎo)電聚合物雖然成膜性好，但熱穩(wěn)定性差[26]。靜電紡碳納米纖維材料兼具導(dǎo)電性好、比表面積大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是重要的超級電容器用電極材料之一。

4 靜電紡納米纖維材料的發(fā)展展望

靜電紡絲是有效制備納米纖維材料的主要途徑之一[27]。如何獲得高質(zhì)量的靜電紡納米纖維材料，進(jìn)一步拓寬靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，以及其規(guī)?；a(chǎn)等問題，都是靜電紡納米纖維材料面臨和需要解決的問題。

4.1 技術(shù)發(fā)展

靜電紡絲設(shè)備簡單、技術(shù)操作簡便，但卻不易制得高質(zhì)量的納米纖維[28]151-160。設(shè)備上，噴絲頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響著靜電紡絲裝置的發(fā)展，同時結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控在不斷地創(chuàng)新著靜電紡絲技術(shù)[29] 9-12。紡絲參數(shù)設(shè)置方面，影響靜電紡納米纖維性能的參數(shù)眾多，如紡絲液的濃度、黏度、紡絲電壓、紡絲針頭與接收裝置之間的距離、溶液擠出速度、電導(dǎo)率、表面張力、環(huán)境溫濕度、氣流速度等[12]52-56,[30]，而這些參數(shù)對纖維的直徑及性能的影響很大，易導(dǎo)致靜電紡納米纖維在形態(tài)上存在缺陷[31]2223-2253。

4.2 規(guī)模化生產(chǎn)

盡管靜電紡絲技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作性強(qiáng)、高效等優(yōu)點(diǎn)，但由于理論與應(yīng)用研究還不夠完善，尚未實(shí)現(xiàn)大范圍的工業(yè)化生產(chǎn)，目前還未完成從試驗(yàn)室到流水線的過渡[32]46-49。靜電紡納米纖維的批量化制造是急需解決的問題，但目前針對靜電紡生產(chǎn)效率的研究較少，納米纖維的產(chǎn)量尚達(dá)不到大規(guī)模生產(chǎn)的要求[29] 9-12。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域拓寬

靜電紡納米纖維材料被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，且目前部分應(yīng)用領(lǐng)域已進(jìn)一步得到拓寬，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、過濾材料領(lǐng)域、防護(hù)領(lǐng)域、新興材料領(lǐng)域等。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是目前靜電紡納米纖維材料應(yīng)用的研發(fā)熱點(diǎn)，如功能性膜、細(xì)胞支架、仿生材料、細(xì)胞載體、藥物傳遞等，故產(chǎn)業(yè)化必定是其發(fā)展方向[32]46-49。近幾年來，使用靜電紡納米纖維材料制備的組織支架，在強(qiáng)力和生物相容性上均得到較大的改善，能夠有效協(xié)助甚至取代原器官。因此，采用靜電紡納米纖維制成的組織支架被廣泛應(yīng)用于皮膚、血管、軟骨、骨、神經(jīng)等組織工程研究領(lǐng)域[33]。但靜電紡納米纖維支架的結(jié)構(gòu)松散問題未能得到有效改善。目前，也有人采用靜電紡納米纖維對干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)研究[34] 84-88。此外，近年來采用此技術(shù)開發(fā)出了可降解內(nèi)敷料，使得生物敷料、可降解繃帶等逐漸取代了原有的外部防護(hù)用品，且可降解內(nèi)敷料與生物組織有高度的相容性，不會產(chǎn)生感染等副作用[34]84-88。

人們對過濾材料的要求也在不斷提高，如部分水過濾材料能有效監(jiān)控有害物質(zhì)，還能處理廢水及水體浮油等物質(zhì)[28]151-160。此外，制備功能性納米纖維過濾材料是一大趨勢，如抗菌納米纖維過濾材料等[35]。多孔結(jié)構(gòu)納米材料比表面積的提高大大擴(kuò)展了靜電紡納米纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，也使其在組織工程、過濾等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用性能得到顯著提高[36]。

靜電紡納米纖維材料在防護(hù)材料中的應(yīng)用也越來越廣泛。

此外，靜電紡無機(jī)納米纖維因其具有大比表面積、高耐熱性、高模量等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于新興材料領(lǐng)域。新產(chǎn)品，尤其是具有特殊性能的功能材料不斷被研發(fā)出來，目前正向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展[31]2223-2253。

5 結(jié)語

當(dāng)前，靜電紡絲技術(shù)及設(shè)備主要存在紡程不可控、量產(chǎn)提高難、聚集非有序等三方面問題。近年，已有部分靜電紡納米纖維材料產(chǎn)品先后實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，正逐漸向功能化、雙組分化的方向發(fā)展，相信將有越來越多的靜電紡納米纖維產(chǎn)品被投入到商業(yè)化的使用中。

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