静电纺丝的发展历程与未来趋势

静电纺丝起源于200多年前人们对静电雾化过程的研究。1745年，Bose［23］通过对毛细管末端的水表面施加高电势，发现其表面将会有微细射流喷出，从而形成高度分散的气溶胶，并得出该现象是由液体表面的机械压力与电场力失衡所引起的。1882年，Rayleigh［24］指出当带电液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，就会在其表面形成微小的射流，并对该现象进行理论分析总结，得到射流形成的临界条件。1902年，Cooley与Morton［25］申请了第一个利用电荷对不同挥发性液体进行分散的专利。随后Zeleny［26-27］研究了毛细管端口处液体在高压静电作用下的分裂现象，通过观察总结出几种不同的射流形成模型，认为当液滴内压力与外界施加压力相等时，液滴将处于不稳定状态。

基于上述的基础研究，1929年，Hagiwara［28］公开了一种以人造蚕丝胶体溶液为原料，通过高压静电制备人造蚕丝的专利。1934年，Formhals［29］设计了一种利用静电斥力来生产聚合物纤维的装置并申请了专利，该专利首次详细介绍了聚合物在高压电场作用下形成射流的原因，这被认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。从此，静电纺丝技术成为了一种制备超细纤维的有效可行方法。1966年，Simons［30］发明了一种生产静电纺纤维的装置，获得了具有不同堆积形态的纤维膜。20世纪60年代，Taylor［31］在研究电场力诱导液滴分裂的过程中发现，随着电压升高，带电液体会在毛细管末端逐渐形成一个半球形状的悬垂液滴，当液滴表面电荷斥力与聚合物溶液表面张力达到平衡时，带电液滴会变成圆锥形；当电荷斥力超过表面张力时，就会从圆锥形聚合物液滴表面喷射出液体射流。人们称这个悬垂的圆锥形液滴为“泰勒锥”，如图1-5所示。1971年，Baumgarten［32］使用丙烯酸树脂溶液通过静电纺丝技术获得了直径小于1μm的纤维，同时发现纤维直径受溶液黏度、灌注速度、纺丝电压以及纺丝介质中气体种类等多种因素影响。

图1-5　泰勒锥的形成过程［31］(www.xing528.com)

20世纪90年代，Reneker研究小组对静电纺丝技术的研究，引起了科研人员的广泛关注，其在英国Nanotechnology杂志上发表了关于静电纺丝技术制备聚合物纤维及其应用展望的综述论文［33］，至今引用率已超过2000次。进入21世纪后，静电纺丝技术进入了快速发展时期，静电纺纤维的成型机理及过程逐渐被揭示。随着高分辨率、高速摄影设备的出现，研究者逐渐认识到溶液射流在高压静电场中的运动及变化规律，并先后对静电纺丝初始阶段泰勒锥形状、锥角以及临界电压等进行了更为深入的研究［34-35］。随后，静电纺纤维的可纺聚合物原料范围大大拓宽，通过与其他聚合物溶液共混，一些不能纺丝的聚合物也被成功地制备成了静电纺纤维，如聚乙烯亚胺、聚苯胺等［36-38］。同时，静电纺纤维组成成分与形貌结构从单一变得多样化，随着对纺丝原理的深入理解与纺丝设备的开发，研究者可以制备出各种组分与形貌结构的静电纺纤维［39-41］。此外，静电纺纤维的研究由制备表征转向应用并逐步从小规模制备向批量化生产转变，Elmarco、Electrospun、NaBond、Holmarc、Opto-Mechatronics、E-Spin Nanotech等公司均有规模化静电纺丝设备销售［42］。