静电纺丝
用高电压把聚合物射流拉成纳米纤维
静电纺丝用高电压把聚合物溶液拉成比头发细几百倍的纤维。纤维堆成轻盈蓬松的网，称为纳米纤维毡。这种毡可以提升空气过滤器和口罩的性能，也可用作培养组织的支架。
工作原理
配制溶液。 聚合物溶解在溶剂中或被熔化，达到合适的黏度（液体有多稠、流得多慢）。
供给液滴。 注射泵把溶液缓慢推到金属针的尖端，在那里悬着一个液滴。
施加高电压。 通常 5 到 50 千伏的电源给液滴充电。电场力克服表面张力，把液滴拉成一个称为泰勒锥的尖。
射流与鞭动。 一股细射流从锥尖射出，然后盘旋并剧烈鞭动。它被拉伸几千倍，同时溶剂蒸发。
收集纤维。 干燥的纤维落在接地的收集器上：平板得到无规则的网，高速旋转的滚筒得到取向排列的纤维，工厂里则用移动的织物。然后把毡揭下，复合到支撑层上，或经灭菌用于医疗。
关键数据
- 材料
- 聚合物溶液或熔体：尼龙、聚酯（PET）、PVDF、PAN、可生物降解的 PCL、PVA、胶原蛋白、醋酸纤维素；也有陶瓷前驱体
- 典型零件
- 无纺（毡状，非织造）纤维毡、织物上的过滤层、管、取向排列的纱线
- 零件尺寸
- 纤维粗细从几十纳米到几微米；毡从实验室样品到数米宽的工业卷材
- 精度
- 没有严格意义上的尺寸公差：配方和参数控制纤维直径及其分布
- 表面质量
- 柔软、毡状的网，比表面积巨大，细孔能截留亚微米颗粒
- 适合的批量
- 从实验室的几克，到数米宽的卷对卷生产线
- 模具与设备成本
- 实验室装置几千美元起；工业生产线要贵得多
- 速度
- 单根针每小时产出远不到一克纤维；无针的工厂生产线可连续给织物镀层
优点与局限
优点
- 超细纤维，比表面积巨大
- 实验室装置简单、成本低
- 聚合物、共混物和添加剂（药物、颗粒）选择极多
- 模拟人体细胞周围的纤维网络，有利于细胞生长
局限
- 单根针的产量低
- 许多配方使用有毒或易燃的溶剂
- 纤维粗细会随湿度、电压和距离漂移
- 较弱的毡通常需要支撑层；需遵守高电压安全规则
应用领域
- 过滤建筑通风、发动机进气和口罩过滤器中的纳米纤维层
- 医疗伤口敷料、组织工程支架、血管移植物、药物缓释贴片
- 能源电池隔膜、燃料电池膜
- 纺织品透气防水膜、防护服
- 化妆品纳米纤维面膜和贴片
- 研究传感器、催化剂、陶瓷纳米纤维
如何识别
- 单根纤维肉眼看不见；只有网能看到，是一层薄如蝉翼的白色或半透明的膜。
- 看看一些高效的空气、吸尘器或发动机过滤器：较粗织物上有一层精细的涂层，轻得好像不可能起作用。
- 在电子显微镜下，这张网看起来像一团乱麻的意面，各条纤维粗细几乎相同。
- 医用的版本最终用在伤口上或体内，作为可能慢慢溶解的敷料和支架。
对比
观看
Hosein Rostamani · 从溶液到纤维毡的简单实验室演示
Inovenso Ltd. Electrospinning Company · 一个喷头处泰勒锥和射流的特写
ELMARCO · 从旋转滚筒上升起的工业无针射流
Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · 纳米纤维产品和用途概览
查看实拍照片
- 维基百科：静电纺丝 — 纳米纤维的电子显微照片、装置示意图和参数表
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 由电场力完成拉伸：液滴、锥、鞭动的射流、干纤维。
- 纤维只有几十纳米到几微米粗，网的比表面积巨大。
- 单根针很慢；工厂用无针生产线给过滤织物镀层。
