2.1　静电纺丝的基本原理

静电纺丝是静电雾化的一个特例。当带电液体是具有一定分子链缠结的高分子液体或熔体时，在对液体施加高压静电的过程中，一旦电场强度超过液体的表面张力，就会在喷头末端的泰勒锥表面高速喷射出聚合物射流。这些射流经过电场力的高速拉伸、溶剂挥发与固化，最终沉积在接收极板上，形成聚合物纺丝，这一过程即为静电纺丝。如图2-2所示，一个典型的静电纺丝装置主要由四个部分组成：①高压电源；②注射器；③金属喷头；④接收器（如铜板、铝箔、铜网等）^［4］。

图2-2　静电纺丝装置示意图^［5］

在静电纺丝过程中，高压电场的作用使得喷头末端和接收装置之间产生一个强大的电场力。在电场力的作用下，液滴表面因为同时受到静电斥力和液滴表面张力的作用而处于不平衡状态，这种不平衡状态可以用公式（2-1）表示：

　　 （2-1）

式中，γ为喷头末端液滴的表面张力；R为液滴半径；e为液滴所带的总电荷；ε₀为液滴在真空中的介电常数。

当电场力的大小逐渐增大到等于聚合物液体的表面张力时，带电的液滴就悬挂在喷头末端并处于平衡状态。随着电压的进一步增加，达到某个临界值时，喷头末端的液滴由半球状拉伸成圆锥状，形成锥角角度为49.3°的泰勒锥（Taylor cone）^［6］。只有当外加电大于其临界值时，射流才能从泰勒锥表面喷射出来，临界压力的计算公式如式（2-2）所示：

　　 （2-2）

式中，E为临界电压；H为两电极间的距离；L为喷头与极板间的距离；R₀为喷头半径。

如果带电液体是黏度较小的小分子溶液，电场力将其拉伸分裂成许多细小的液滴。而当带电液体是高黏度的高分子溶液或熔体时，从泰勒锥顶端喷出的射流会经分化和不稳定拉伸过程被细化或者劈裂成更细的射流，最终固化成聚合物纺丝。在纺丝拉伸过程中，伴随着溶剂的挥发和熔体的固化过程，纺丝最终以相互交叠、随机分布的状态沉积在收集板上，形成三维网状纺丝膜^［7］。