韩维华
潍坊科技学院，山东 寿光 262700
摘要：静电纺丝技术是制造一维长纳米纤维最有效的手段。经历了一段高度发展期后，现在有关其理论和应用研究更是全面铺展开来。本文针对静电纺丝技术进行分类研究，特别涉及设备安置模式、纤维制备模式和纤维形态调控三个方面。
关键词：静电纺丝；设备；纳米纤维；形态调控
1 静电纺丝简介
静电纺丝技术（又称“电纺”），是制备一维纳米材料，特别是长且连续的纳米纤维最有效的手段。利用其制备的纳米纤维具有大比表面积、高长/直径比、大气孔率等特点，广泛应用于过滤、电传感器、催化、生物工程等领域。电纺装置主要是依靠“三件套”搭制，含高压直流电源、带纺丝喷头的注射器和收集极。原理是：高压直流电源提供数万伏高压；高分子聚合物溶液置于注射器当中；纺丝喷头与高压电源正极相连，金属收集极与负极相连；当纺丝液流经针头便会受到强电场力（电场约为1000伏/厘米）的作用，射流经历变形、拉伸、劈裂，最后达微纳米级别沉积到收集极上。目前针对电纺的研究大体可分为三个方向，分别是电纺装置的改进、制备纤维组分的设计和纤维制品应用的拓展。
2 设备安置模式
根据纺丝液进动模式，可将电纺设备分为纵向安置模式（图1a）和横向安置模式（图1b），其定义参考是带纺丝喷头的注射器。在纵向安置模式下，纺丝液下流动力可借助于纺丝液自身重力。横向模式下，想要实现纺丝液连续供给，需要加入匀速推进器。这也是横向模式优于纵向模式之处。但是，目前随着装置研究多元化，纵向模式下的电纺，也可借助匀速推进器供液。设备安置模式的选择主要目的是使得纺丝喷头处的射流流速稳定、进而影响制备的纳米纤维的形貌。是否应用匀速推进器，要具体考虑纺丝液黏度、实验环境温度等具体因素，同时还要考虑制备纤维的均匀性及结构化差异，例如制备的纤维中是否含有带状结构或者串珠结构。总而言之，选择何种设备安置模式，主要取决于你的实验环境、纺丝装置的简易程度及对纺丝产品的形貌要求。
3 纤维制备模式
纤维制备模式主要分为相对静止制备模式（图1a和b）和相对运动制备模式（图1c），其定义参考是纺丝针头与收集极之间是否存在相对运动。图1c给出的是一种典型的滚筒收集装置[1]，纺丝过程中保持针头固定，收集滚筒以一定转速旋转，制备的纤维便能以一定序列排布缠绕在滚筒的横梁之上。电纺发明之初，其装置就是静态的。保持纺丝针头与收集极相对静止，二者之间最短距离10厘米左右，纺丝针头供压10千伏左右。一般电纺开始五分钟左右就能在收集极上看到发白的膜结构。用镊子取下部分，置于合适大小的玻璃片之上，做显微结构观察。一般用到扫描电子显微镜（SEM），拍照之前用离子溅射仪作喷金处理，以便待测物获得高的电导率（因为用作制备纳米纤维的聚合物材料大多是电的不良导体）。静态操作获得的纤维一般是无序散乱状态分布的（图1d）。
与静态制备相对应的是动态制备。动态制备又可分为两类：“针头不动收集极动”和“针头动收集极不动”。图1c中显示的滚筒收集极式便是“针头不动收集极动”的代表。此外，本类模式应用比较多的还有复合框架法[2]（内框不动，外框旋转）。“针头动收集极不动”模式典型的代表就是近场电纺（一般纺丝距离小于1厘米）制备图案化纤维[3]，如图1e所示。此外还有离心电纺[4]，即将纺丝针头固定于一圆盘上，纺丝过程中让圆盘旋转带动针头旋转。离心电纺还有一个优点就是可降低纺丝电压，但纺丝电压的降低会带来自身的一个缺点，即制备的纤维直径略大，一般在微米级别。
4 纤维形态调控模式
纳米纤维的广泛应用很大一部分是由纳米纤维的形态决定的。根据前文描述可知，纳米纤维的聚集态可以分为随机收集和调控收集。随机收集是不加任何干预的收集方式，一般获得纤维制品形式为无纺布（图1d）；调控收集是根据应用，从而设计出所需的纳米纤维形貌，进而采取相关收集方法获得所需形貌的一种收集方式。根据调控的方式和对精度的把控，粗略可分为准取向调控、精确取向调控和规模化图案化调控三大类。
准取向调控是由散乱无序纤维向有序聚集态纤维转变的开始，虽然对纤维形貌调控的控制不精确但是意义很重要。这类方法可以获得粗略的纤维列阵、纤维束、纳米纤维绳等。通过调控可提高纳米纤维的力学性能。精确取向调控是准取向调控的升级。通过此种调控可以制备更加有序的纤维列阵及特定形貌的纳米纤维，前文所述图1e便是精确取向调控的一种代表[3]。在某些特定应用领域，精确取向调控意义重大，例如，在制备柔性可拉伸电子器件方面，如果采用图1e所述图案化的纤维在面临横向拉伸时，纤维的伸缩率更大，以至于纤维不被破坏。规模化图案化调控是自有序沉积的一种。通过引入不同形态的收集极模板来影响电场分布进而影响纤维图案化沉积，此种调控相对于精确调控的图案化来说，优势在于可实现纳米纤维的规模化制备,如图1f所示[5]。同样，利用此方法制备的图案化纤维也可应用于柔性可拉伸电子器件的制备。
图1. 静电纺丝装置及纤维：（a）纵向安置模式；（b）横向安置模式；（c）滚筒收集极动态模式；（d）无序纤维；（e）有序图案化纤维[3]；（f）规模化图案化纤维[5]
5 结论
静电纺丝技术的快速发展得益于一维长纳米纤维制备上无可比拟的优势——装置简单、成本低廉、操作方便，大规模推广归因于基于纳米纤维应用的多元化。本文从三个方面对静电纺丝技术进行全面的分析研究，分别是静电纺丝设备安置模式、纳米纤维制备模式和纤维形态调控模式。设备纵向安置简易，横向安置纺丝稳定；纤维静态制备基于纤维自组装，动态制备更有利于纤维调控；纤维随机收集或调控收集的选择主要取决于纤维制品的具体应用。实际中，随着研究深入，智能化设备的制造和多组分多形态纤维的设计的全面推进，电纺技术已经基本实现了不同模式下的有机组合。目前，电纺产业已初具规模，且在社会上发挥的作用越来越大。让我们期待电纺下一个百年再创辉煌。
参考文献
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[2] Zheng J, Long Y, Sun B, et al. Aligned nanofiber arrays and twisted nanofiber ropes via electrospinning with two frames collector[J]. Advanced Materials Research, 2013, 690-693: 523-526.
[3] Xin Y, Reneker D. Hierarchical polystyrene patterns produced by electrospinning[J]. Polymer, 2012, 53: 4254-4261.
[4] Li M, Long Y, Yang D, et al. Fabrication of one dimensional superfine polymer fibers by double-spinning[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(35): 13159.
[5]Yu G, Yan X, Yu M, et al. Patterned, highly stretchable and conductive nanofibrous PANI/PVDF strain sensors based on electrospinning and in situ polymerization[J]. Nanoscale, 2016, 8(5): 2944-2950.