2.1　静电纺丝技术

2.1.1　静电纺丝技术简介

高压静电纺丝（electrospinning或electrostatic spinning），简称为电纺，是将聚合物溶液或熔体在高压静电作用下形成连续纤维的合成方法。1934年，Formhals发表专利[15]，以表面电荷之间的静电排斥力获得聚合物长丝的过程为例首次详细描述了静电纺丝设备，这被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。此后的一段时间，静电纺丝技术发展较为缓慢，只被少数人认可和使用。直到20世纪90年代，美国阿克隆大学Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究，并为静电纺丝技术的推动做出了巨大的贡献[16～20]。随后，情况发生了巨大的变化，学术界和工业界众多的研究组开始从事相关领域的研究工作，超过100种的不同聚合物以溶液或熔融的状态被电纺成超细纤维。现在，静电纺丝技术已经成为一种被广泛认可并用于制备超长纳米纤维的成熟技术，尤其是此项技术应用于无机纳米纤维的制备逐渐受到关注，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。

2.1.2　静电纺丝技术原理

静电纺丝装置通常可以分为3个主要部分（图2-1）：高压静电发生装置（高压电源），可以盛装聚合物溶液的纺丝管（注射装置）和接收装置（金属平板和滚筒）。

图2-1　静电纺丝的装置示意

静电纺丝技术的工作原理是：通过高压电源在纺丝管尖端与接收器之间形成几千至几万伏的高压静电场，使其在纺丝口形成泰勒锥。在电场力的作用下，纺丝管中的溶液克服表面张力作用后，泰勒锥被形成射流，该射流在喷射的过程中被进一步拉伸，随着电场力的作用逐渐减弱，到达不稳定的鞭动区，此时溶液被分散为无数更细的纤维而最终以无纺布的形式凝结在接收装置上成为微纳米材料。

在静电纺丝过程中，参数的改变可以影响所制备的纳米纤维的形貌和结构，具体的影响因素主要有3个方面。

①静电纺丝所用前驱体溶液的特性　包括溶液的黏度、弹性、导电性、表面张力和溶质的相对含量等；例如，Fong等[17]发现利用聚环氧乙烷的乙醇和水溶液纺丝时，其溶液的黏度为1～20P，表面张力在35～55dynes/cm之间时才可以进行。而当黏度高于20P时，高黏性的溶液其射流不稳定而导致电纺操作无法进行；当黏度低于1P时，溶液浓度过低而形成液滴也同样导致电纺操作无法进行。因此，溶液的黏度对静电纺丝的影响尤为显著。不同的聚合物由于其本身性质的不同，可纺丝的黏度范围也各不相同。实际上，溶液的黏度与聚合物的量是成正比的，聚合物含量越高，所得到的前驱溶液黏度就越大。而不同黏度的溶液纺丝得到的形貌也不相同。例如，我们的相关工作对不同黏度的聚甲基丙烯酸甲酯/N，N-二甲基甲酰胺溶液的纺丝结果进行了研究[21]。当溶液的浓度低于10％时，电纺得到的形貌是球，而溶液的浓度达到22％时，电纺得到的形貌才是纤维。此外，我们还分析了装置变量对电纺形貌的影响。在保持其他条件不变的情况下，减小电源电压不利于电纺操作的进行；而增大电源电压，电纺纤维的直径分布不均匀且带有较粗的带状纤维出现。可见，静电纺丝的装置变量也是影响最终形貌的重要因素。

②静电纺丝装置变量　包括电纺的电源电压的大小，收集的距离和电纺溶液的推进速度等；例如，Song等也研究了静电纺丝装置变量对电纺纤维形貌的影响[22]。在保持其他条件不变的情况下，纺丝管的针头和接收装置之间的电压在5～15kV，距离为10～25cm时，样品形貌从相互粘连变为独立且分布均匀的纤维。而且他们指出，装置变量的改变对于纤维结构有较大的影响，而对纤维直径尺寸影响不大[23]。

③静电纺丝装置所处的环境因素　包括温度、湿度和空气静电等。例如，Demir等[24]研究了环境温度对电纺形貌的影响。对于电纺聚亚胺酯，70℃下获得的电纺纤维比室温下获得的更加均匀。主要原因可能是温度会影响聚合物的溶解度，进而影响到最终黏度。此外，夏幼南也证实了适当的湿度可以使电纺纤维的结构变得光滑，直径分布均匀[25]。