静电纺丝技术起源于20世纪30年代，并在近30年的时间得到蓬勃的发展，是一种特殊的纳米纤维制造工艺。纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围的线状或管状材料，具有长径比大、比表面积大、孔隙率高、可精确沉积等优点，因而可以作为纳米科学和技术的基本构筑基元，广泛应用于信息、能源、环境、生物医学、国家安全等领域。

静电纺丝法即聚合物喷发静电拉伸纺丝法，图1为静电纺丝原理示意图。以溶液静电纺丝为例，首先将聚合物溶液置于高压静电场中，使聚合物溶液带上几千甚至上万伏高压静电，并且和收集板形成电压差，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的泰勒锥极点被加快。当电场力达到一定数值时，聚合物液滴就会克服溶液本身的表面张力，构成喷发射流，射流在喷发过程中溶剂蒸发或固化。由于弯曲不稳定性，射流最初沿直线延伸，然后经历剧烈的摆动运动。当射流被拉伸成更细的直径时，它会迅速凝固，导致固体纤维沉积在收集板上。

图 1 静电纺丝原理示意图

静电纺丝制备纳米纤维受许多要素的影响，这些要素可分为：溶液性质，如粘度、电导率和外表张力等；控制变量，如静电压、电势和针头与收集器之问的间隔等；环境参数，如纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。

纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围的线（管）状材料，具有长径比大、比表面积大、孔隙率高等优点，使得纳米纤维材料在过滤材料、生物医学、传感器防护应用以及其他特殊领域都有着良好的应用前景。拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法和静电纺丝法等均可制备纳米纤维，在这些方法中静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛采用。

图1 纳米纤维材料

纳米纤维的特性和功效

1.小尺寸效应：由于比表面积增大、体积减少，使反应性和选择性明显提高，使超低消耗等能以具体化。随着纤维直径的纳米化，材料的声、光、电磁、热力学性质将会改变。

2.超分子排列效果：由于分子规整排列，可实现自我组织化，从而可显现统一的功能。

3.认识细胞生物体材料的效果：结合细胞的认识而制成特异结构的纳米纤维。

4.阶层结构效果：即由于纳米聚合物链水平的纳米阶层结构而出现的新效果。

纳米纤维应用举例

1、复合材料增强

用纳米纤维作为增强剂加固复合材料研究较多的是碳纳米纤维、碳纳米管，它们的复合材料密度仅为钢铁的1/6，强度却达钢铁的100倍。尽管纳米纤维的含量低，却使复合材料的强度和硬度显著提高。压层材料常出现层脱现象，在其薄膜间添加纳米纤维，压层材料重量和层间距离几乎不变，层间韧性却显著提高。

2、高效过滤介质

纳米纤维复合制品具有阻隔高渗透悬浮粒子的性能，可大大提高过滤效率。作为气相、液态的过滤或分离介质，可在制药、实验室、医院、食品、化学及化妆品工业中使用，也可用于制作防化服或生物战地服装。将纳米纤维网片与湿法成型的纤维素纤维非织造布复合，用于引擎系统的清洁过滤，可去除直径为0.7～70 μm的粒子。纳米纤维与某些选择性试剂复合的纤维用于开发分子过滤器，将可能实现水汽与有机气体和CO2和O2的分离；还可用于过滤生化武器中的毒剂。

3、生物医药领域应用：

纳米纤维可用于人造血管、药物输送材料当中。在做细胞工程支架材料时，其作用是提供传导性能和结构支撑，并改进支架的多空性；在药品封装中使用，可控制活性组分的传输。纳米纤维材料还是烧伤病人理想的包扎绷带药物在人体内溶解速度快则吸收快，而药物、载体的表面积则影响固体药物的溶解速度，通过设计将药物和纳米纤维复合，可控制药物在人体内的立即释放、缓和释放、延迟释放。

整个人体的组织和器官几乎都是纳米结构单元的沉积，如骨头、牙齿、皮肤等都是纳米结构在纳米尺度上的排列，人体细胞易于附着在直径小于细胞本身的纤维周围进行再生。使用生物高分子和生物可降解高分子的电纺丝纳米纤维研制一种支架，能使细胞附着其上并向内生长最终实现生物复制，替换生物体内已经损坏的组织和器官。

用传统的医用纱布包扎伤口，除去纱布后会留下疤痕，而用生物相容的纳米纤维制成的无纺布膜是结构精细多孔的薄膜，不仅能防止气溶胶的进入和真菌的滋生，还可迅速吸收伤口的渗出液，除去后不留下疤痕。纳米纤维易于生物降解，用它缝合伤口不必拆线，简化医疗程序，减少痛苦。

4、精密电子和光学器件

导电纳米纤维中特殊排列的高分子聚集体被称为晶体缺陷，它使纳米纤维内高分子本身具有传输和转动功能。以纳米纤维为载体能将纳米器件排布起来，互相连接成大规模集成电路。由于化学反应速率与电极表面积成正比，因此大表面积导电纳米纤维膜非常适用于制造高性能电池和多孔电极。最近发现的发光高分子和纳米纤维的复合材料发生荧光蓝移，这种材料有望在分子电子学等方面得到应用。

5、服装领域的研究与产品应用

图2 纳米纤维材料在服装领域的应用

东华大学丁彬&斯阳介绍了一种兼具有效抗菌和抗病毒活性的绿色纳米纤维，该设计的优势在于纳米纤维可以吸收和存储可见光能，并在明亮或黑暗的环境下保持活性。此外，将功能性纳米纤维快速喷涂到现有的防护服和口罩等PPE上，经修饰的PPE具有稳定的ROS生成、极好的储存活性潜力、长期耐用性以及较高的杀灭细菌（>99.9％）和病毒的能力（>99.999％）。

由佛山轻子公司研发的桌面型纳米材料加工中心，可以自由切换不同纺丝模块，进行熔体/溶液近场直写、静电纺丝和静电喷雾实验。可以组合使用近场直写/静电纺丝/静电喷雾实验，制备有序微纳米纤维/无序纳米纤维膜/纳米微球中多种复合材料。更多细节可点击链接: https://www.qingzitech.com/pro_detail/near_field_electrospinning_machine_m01_005.html

图3 桌面型纳米材料加工中心M01-005