靜電紡絲是一種利用表面經(jīng)典排斥作用，以粘性流體為原料，簡便、通用、連續(xù)地制備納米纖維的方法。靜電紡絲制備的納米纖維，其直徑可以達(dá)數(shù)十納米，納米纖維的材料范圍廣泛，包括高分子、陶瓷、小分子以及其復(fù)合物。除了可以制備表面光滑的納米纖維，靜電紡絲發(fā)還可以制備具有二級結(jié)構(gòu)的納米纖維，包括孔、空腔、核-殼結(jié)構(gòu)等。納米纖維的表面和內(nèi)部可進一步地加入分子或納米顆粒修飾，這一過程可在靜電紡絲過程中同時進行、也可在納米纖維形成之后進行。另外，對納米纖維進行排列、堆垛、折疊，可組裝形成有序結(jié)構(gòu)或分級結(jié)構(gòu)。這些特性使得靜電紡絲被廣泛應(yīng)用于空氣過濾、水處理、異相催化、環(huán)境保護、智能織物、表面涂層、能量的收集轉(zhuǎn)化和存儲、封裝生物活性材料、藥物緩釋、組織工程、再生醫(yī)學(xué)等。

靜電紡絲即在高壓靜電下用聚合物溶液進行紡絲的過程。靜電紡絲可以制備直徑在幾十到幾百納米的纖維，產(chǎn)品具有較高的孔隙率和較大的比表面積，成分多樣化，直徑分布均勻，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程以及紡織等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。常見的靜電紡絲納米纖維在過濾以及個體防護方面可以用于水處理、防護服、口罩等；在傳感器領(lǐng)域可以用作電阻傳感器、光學(xué)傳感器等；在化工領(lǐng)域可以用于催化劑等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以用于傷口敷料、組織工程支架、藥物載體等。

在材料、生物工程等科研中利用高壓靜電場對高分子溶液的擊穿作用來制備納微米纖維材料；基本原理是在噴射裝置（注射泵）和接收裝置間施加高壓的靜電場，從注射器的錐體端部形成射流，并在電場中被拉伸，最終在接收裝置上形成無紡狀態(tài)的納米纖維。

1.靜電紡絲的裝置和基本原理

靜電紡絲的裝置包括四部分：高壓電源、注射泵、噴絲頭、接收器。當(dāng)粘彈性流體被推出噴絲頭時，表面張力會促使其形成球形液滴。而由于噴絲頭上外加了高電壓，使液滴表面帶同種電荷。當(dāng)靜電排斥作用足夠強時，可以抵消表面張力作用，此時液滴不是球形而是圓錐形。開始噴絲后，液體首先進入錐-射流區(qū)（cone-jet），在表面電荷排斥和強電場的共同作用下，射流直徑越來越小、直至發(fā)生彎曲。之后射流進入鞭動不穩(wěn)定區(qū)（whipping instability）,射流加速的同時如鞭子一樣擺動，在此射流直徑大幅下降、溶劑揮發(fā)。最終，射流固化形成超細(xì)直徑的纖維。

靜電紡絲

典型靜電紡絲裝置圖—平行式

2.靜電紡絲影響因素

高壓電源的正極與負(fù)極分別與注射器針頭和接收裝置相連，而接收裝置的形式也是多樣化的，可以是靜止的平面、高速轉(zhuǎn)動的滾筒、圓盤，或特殊形狀的支架模具等。紡絲的參數(shù)設(shè)置、環(huán)境條件等對紡絲的效果影響至關(guān)重要。

影響靜電紡絲的因素和工藝參數(shù)有很多，可以歸為2類：①體系因素，包括聚合物的分子質(zhì)量、分子質(zhì)量分布和溶劑性質(zhì)如（粘度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)和表面張力）等；②電紡工藝參數(shù)，包括施加的電場強度、溶液濃度、溶液流動速率、噴絲口的尺寸、噴絲口與接收器的距離和環(huán)境條件（溫度、濕度、空氣流動速率）等。其中溶劑的選擇、注射速度的穩(wěn)定、溶液濃度、施加的電場強度與噴絲口與接收器的距離是影響紡絲的主要因素。

3.注射泵注意事項

● 紡絲裝置要放置在一個有金屬屏蔽的箱體內(nèi)；

● 屏蔽箱和注射泵必須接地線；

● 注射泵和高壓靜電設(shè)備最好不要共用一個電源。

從高分子纖維到陶瓷納米纖維：靜電紡絲最初是利用高分子溶液、制備高分子納米纖維的技術(shù)。當(dāng)結(jié)合溶膠凝膠法后，其應(yīng)用領(lǐng)域擴展到復(fù)合納米纖維和陶瓷納米纖維。最早人們以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和鈦酸四丁酯為原料、用靜電紡絲法制備無定形 TiO2 納米纖維，空氣中煅燒后除去有機物。類似的方法可以用來制備系列氧化物的納米纖維。

多孔納米纖維：在本為實心的納米纖維中形成多孔結(jié)構(gòu)能有效提高其比表面積。主要策略是（1）選擇性去除納米纖維中的一種組分，例如將復(fù)合納米纖維中的聚合物燒掉、留下多孔陶瓷纖維；（2）在完全固化前誘導(dǎo)產(chǎn)生聚合物-溶劑相分離，例如直接將紡絲噴入液氮中，用冷凍干燥法得到多孔高分子納米纖維。

定向排列的納米纖維：當(dāng)接收器為導(dǎo)體時，納米纖維取向是無規(guī)的。但是在很多應(yīng)用中需要定向排列的納米纖維。實現(xiàn)納米線的定向排列可以（1）利用機械法，通常是使用一個轉(zhuǎn)軸作為接收器，纖維按照旋轉(zhuǎn)方向定向排列；（2）利用磁場控制，在聚合物溶液中加入少量磁性納米粒子使得納米纖維具有磁性，這樣可以得到單項排列的陣列；（3）作者特別介紹了他們利用電場控制納米纖維取向的方法：在接收器上加入特定的電極，利用靜電場實現(xiàn)紡絲的定向排列；通過調(diào)制電場能形成特殊的紡絲花樣。

納米纖維作為催化劑載體：在利用貴金屬納米顆粒進行異相催化時，通常使用氧化物作為載體。使用納米陶瓷纖維形成的無紡布薄膜作為催化劑載體時，其具有多孔、熱穩(wěn)定性好的特點，此外不同的氧化物對貴金屬催化劑的電子結(jié)構(gòu)有不同的調(diào)制作用。作者在此主要討論了氧化物避免貴金屬高溫?zé)Y(jié)的問題。

納米纖維作為組織工程學(xué)的支架材料：靜電紡絲納米纖維被廣泛研究用于組織工程學(xué)，這是由于其能夠模擬細(xì)胞外間質(zhì)（ECM）的分級結(jié)構(gòu)。作者課題組將其作為支架結(jié)構(gòu)，用于調(diào)控細(xì)胞行為和組織再生。具體包括模擬細(xì)胞外間質(zhì)的結(jié)構(gòu)以調(diào)控細(xì)胞生長形態(tài)；誘導(dǎo)細(xì)胞遷移以促進硬腦膜組織再生；誘導(dǎo)和促進神經(jīng)細(xì)胞軸突伸長；促進肌腱到骨的組織再生。