靜電紡絲

靜電紡絲，簡稱電紡（英語：Electrospinning），使用電荷從液體中抽極細（一般在微米或納米大小）纖維的工程過程。靜電紡絲不需要化學混凝或者高溫來從液體裡生產固體纖維，這使得這個過程特別宜於用來生產大分子或者複合分子的纖維。靜電紡絲也可以被用來從熔化液里抽取纖維，這樣獲得的最終產品中沒有溶劑的痕跡。

聚己內酯靜電紡絲獲得的纖維的掃描電子顯微鏡圖像

水溶聚乙烯醇靜電紡絲的放大照片

過程

在一滴液體上施加足夠高的電壓後該液體滴上會形成靜電。電荷之間的排斥力抵消液體的表面張力，使得液滴拉長。在電壓超過一個閾值後液體會破射出液滴。這個流出的點被稱為泰勒錐。假如液體分子間的粘合力足夠高的話射出的液體不會分裂開來，而是形成一道流^[1]。

液流在空中液體蒸發，液流的電流從液體的運動轉換為纖維表面電荷的流動。纖維彎曲處的靜電排斥導致纖維不斷擺動，使得液流伸長，最後纖維落到接地的收集屏^[2]。來回擺動造成的纖維伸長和變細最後導致纖維的直徑只有納米大小，而且非常恆定^[3]。

纖維變幹過程中電荷的分布

靜電紡絲

係數

1. 聚合物的分子量、分子重量的分布和結構
2. 溶液特徵
3. 電壓、流量和濃度
4. 毛細管和收集屏之間的距離
5. 環境係數（溫度、濕度、腔內的氣流速度）
6. 收集屏的大小和運動
7. 針規

設備和形式

標準實驗室裝備包括一個噴絲頭（一般一根注射器針頭），它連在一個高壓（5至50千伏）直流電源上，一台泵和一個接地的收集裝置。聚合體溶液、溶膠凝膠、懸浮液或者熔化液體被注入注射器，通過泵使得注射器的針頭上有恆定的液體量流出。或者噴絲頭通過恆定的壓力從一個容器里不斷獲得液體。對於黏度比較低的液體來說這個恆壓型的設備比較好。

其它技術

通過改變噴絲頭和/或液體纖維可以獲得特殊的結構和特徵。通過使用不同的溶液以及它們不同的蒸發率靜電紡絲獲得的絲可以是有孔的或者多層的。這樣多層的纖維最關鍵的在於外層溶液^[4]。這樣的纖維可以用來作為輸藥系統，或者擁有自我修復的能力^[5][6]。

同軸靜電紡絲

同軸靜電紡絲使用一個可以同時注射多種溶液的系統來使得噴絲頭能夠在一個溶液里包裹另一個。外表液體作為一個載體把泰勒錐上的內部液體拉出^[4]。假如兩種液體不混溶的話一般產品擁有核心外表的結構。可混溶的液體一般導致多空的產品，原因是因為不同溶液在固化過程中速度不同，形成不同的物態。

乳液靜電紡絲

使用乳液可以不必更改噴絲頭就產生雙層或者複合纖維。但是由於製造乳液的時候有大量係數需要調整，因此這樣的纖維比同軸纖維的生產要困難。水或者不渾溶的溶液和懸浮的物質混合產生乳液，任何穩定不渾溶特性的物質都可以被使用。十二烷基硫酸鈉、納米顆粒等表面活性劑均被成功使用。在靜電紡絲過程中乳液液滴被拉長和逐漸聚合。假如內層液體的體積分數足夠高的話內層的核心就可以形成^[7]。

使用共混物是這個技術的一個變種，它基於聚合物互相之間不混溶，並可以相隔離，因此不需要表面活性劑。假如可以使用一種溶劑來溶化這兩個聚合物的話這個技術就更加簡單了。

熔化靜電紡絲

使用熔化的聚合體靜電紡絲避免了使用溶液^[8]。使用這個技術可以生產否則不可能生產或者很難生產的聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯和聚丙烯等聚合體的半晶體纖維。這個設備與溶液靜電紡絲很類似，它也使用噴絲頭、高電壓和收集器。電阻加熱、液體加熱、空氣加熱或者激光均可以用來產生聚合體熔液^[9]。

由於聚合物熔液的粘度比較高，這樣產生的纖維一般比較粗。一般在達到穩定流量和熱力平衡後纖維的均勻性非常好。由於熔液的電阻比較高，粘度也比較高，因此拉出來的纖維可能不搖擺。影響纖維粗細最主要的因素有流量、聚合物的分子量和噴絲頭的直徑。至今為止生產的纖維在250納米到數百微米之間。細的纖維都是分子量低的^[10]。

歷史

16世紀末威廉·吉爾伯特開始描述靜電和磁鐵的現象^[11]。他觀察到假如一塊帶電的琥珀被放到一滴水附近的時候水滴會改變它的形狀，變成圓錐形，從圓錐的尖端小水滴會射出。這是最早對靜電噴射的觀察。

1887年查理士·凡而儂·波伊斯描寫了「古老但是鮮為人知的靜電紡絲的試驗」。他的設備由一個「隔絕，與一個電機相連的小盤子」組成^[12]。他發現當液體到達盤子的邊緣時他可以獲得蟲膠、蜂蠟、封蠟、牙膠和火棉膠等一系列物質的纖維。

1900年5月J·F·庫雷（Cooley）獲得了靜電紡絲的專利^[13]。1902年2月他再次獲得一項有關的專利^[14]。1902年7月莫頓（W.J.Morton）也獲得了一項專利^[15]。

1914年約翰·塞勒尼（英語：John Zeleny）發表了一篇關於液滴在金屬毛細管末端的反應的論文^[16]。他的論文是液體在靜電影響下的反應的數學模型的開始。

從1934年^[17]到1944年^[18]安東·佛姆哈爾斯（Anton Formhals）獲得了一系列使用靜電紡絲獲得衣料線的專利，把靜電紡絲進一步推向商業使用。諾爾頓（C.L.Norton）1936年獲得了使用熔液靜電紡絲的專利^[19]。他還使用氣流協助纖維的形成。

1938年在蘇聯卡爾波夫研究所^[20]的氣溶膠實驗室里尼克萊·A·福克斯組裡的娜塔麗·D·羅森布魯姆和伊戈爾·V·佩特里亞諾福-索科洛夫生產了靜電紡絲纖維^[21]，他們把它用在他們研製的過濾器里。這個工作導致1939年在特維爾建立了生產含有靜電紡絲纖維的防毒面具的工廠。其纖維使用溶於二氯乙烷和乙醇中的醋酸纖維素紡成。1960年代裡通過靜電紡絲生產的過濾材料達每年2000萬平方米^[22]。

1964年至1969年間傑弗里·英格拉姆·泰勒為靜電紡絲建立了理論基礎^[23][24][25]。他提供了液滴在電場中的形成的圓錐的數學模型，因此這個圓錐今天叫泰勒錐。他還和其他人一起建立了導電液體的模型^[26]。

1990年代初多個研究組顯示有機聚合體可以通過靜電紡絲成為納米纖維^[27]。從此每年關於靜電紡絲的論文數目不斷增高^[3]。

1995年以來又有對靜電紡絲的基本原理的理論發展。雷茲尼克等描述了泰勒錐的形狀和液體的射出^[28]。霍曼等研究了射出的液流不同的不穩定性^[29]並描述了其中最重要的不穩定性，擺動不穩定性。

應用

靜電紡絲形成的纖維可以達到納米的細度，而且其表面可以有納米數量級的結構，使得它與宏觀材料相比可以和物質產生不同的反應^[30]。除此之外它有兩個主要特徵：它的表面面積對體積的比例非常高，而且在分子級機構上只有很少的缺陷。第一個特徵使得它適於需要高物理接觸的反應，比如為化學反應提供表面，或者通過物理纏繞捕獲非常小的粒子——過濾。第二個特徵使得靜電紡絲的纖維應該可以達到理論上最高的強度，打開了製造高強度複合材料的可能性。

過濾

被使用靜電紡絲生產的聚乙烯醇纖維捕獲的石松孢子（直徑60微米）

使用納米纖維網過濾是一個很常用的技術。由於纖維非常細，范德華力是重要的粘結纖維和被捕獲的物質之間的力。在70年前就已經開始有人使用聚合體納米纖維來過濾空氣了^[22][31]。由於納米網的強度很差，它們被蓋在一個過濾網基底上。由於纖維的直徑非常小，它導致纖維表面的氣流提高，提高了複合過濾網的捕獲和慣性碰撞效率。在纖維直徑小於0.5微米的情況下在同樣壓力下過濾效果提高。過濾器最重要的特徵在於高濕氣運輸、高布料透氣率和高抗毒性化合物能力，因此靜電紡絲生產的納米膜適用於這些應用^[32]。

紡織品

早期靜電紡絲的專利主要用於紡織業，但實際上只有很少紡織品這樣被生產，其主要原因可能是難於使用幾乎不可見的纖維。不過通過使用先進的生產技術使用靜電紡絲可以生產無縫衣料。用過在靜電紡絲的纖維層里參雜其它纖維可以生產多種功能（防火、防化、防止其它外部環境影響）^[33][34]。

醫學

1. 人造器官組成部分
2. 組織工程^[35]；靜電紡絲成品和活細胞可以放在一起^[36]
3. 人工植入組成部分
4. 施藥^[35][37][38]
5. 包紮傷口
6. 醫學紡織品物質

複合材料

超細靜電紡絲纖維顯然有用來生產長纖維複合材料的潛力^[39]。

靜電紡絲最主要的問題在於在有限的時間裡生產大量的纖維。因此只有在需要的纖維數量比較小的醫學應用里靜電紡絲纖維被用來作為加強材料。

用靜電紡絲作為廉價、簡易的製造覆傷、植入和人工組織結構的方法被研究。這些結構和自然組織里的細胞外基質有同樣的作用。聚己內酯等可生物降解聚合物特別適用於這個應用。這樣的纖維上可以覆蓋膠原蛋白來促進細胞貼敷。膠原蛋白也可以直接織成膜^[40]。

催化

靜電紡絲纖維可能有作為使得酶的基質的潛力。被固定在它們表面的酶可以用來分解環境裡的有毒化合物等^[3]。

參考資料

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書籍

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外部連結

• 波蘭科學院 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• 原理和設備 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）