2.1　靜電紡絲技術

2.1.1　靜電紡絲技術簡介

高壓靜電紡絲（electrospinning或electrostatic spinning），簡稱為電紡，是將聚合物溶液或熔體在高壓靜電作用下形成連續纖維的合成方法。1934年，Formhals發表專利[15]，以表面電荷之間的靜電排斥力獲得聚合物長絲的過程為例首次詳細描述了靜電紡絲設備，這被公認為是靜電紡絲技術制備纖維的開端。此后的一段時間，靜電紡絲技術發展較為緩慢，只被少數人認可和使用。直到20世紀90年代，美國阿克隆大學Reneker研究小組對靜電紡絲工藝和應用展開了深入和廣泛的研究，并為靜電紡絲技術的推動做出了巨大的貢獻[16～20]。隨后，情況發生了巨大的變化，學術界和工業界眾多的研究組開始從事相關領域的研究工作，超過100種的不同聚合物以溶液或熔融的狀態被電紡成超細纖維。現在，靜電紡絲技術已經成為一種被廣泛認可并用于制備超長納米纖維的成熟技術，尤其是此項技術應用于無機納米纖維的制備逐漸受到關注，世界各國的科研界和工業界都對此技術表現出了極大的興趣。

2.1.2　靜電紡絲技術原理

靜電紡絲裝置通常可以分為3個主要部分（圖2-1）：高壓靜電發生裝置（高壓電源），可以盛裝聚合物溶液的紡絲管（注射裝置）和接收裝置（金屬平板和滾筒）。

圖2-1　靜電紡絲的裝置示意

靜電紡絲技術的工作原理是：通過高壓電源在紡絲管尖端與接收器之間形成幾千至幾萬伏的高壓靜電場，使其在紡絲口形成泰勒錐。在電場力的作用下，紡絲管中的溶液克服表面張力作用后，泰勒錐被形成射流，該射流在噴射的過程中被進一步拉伸，隨著電場力的作用逐漸減弱，到達不穩定的鞭動區，此時溶液被分散為無數更細的纖維而最終以無紡布的形式凝結在接收裝置上成為微納米材料。

在靜電紡絲過程中，參數的改變可以影響所制備的納米纖維的形貌和結構，具體的影響因素主要有3個方面。

①靜電紡絲所用前驅體溶液的特性　包括溶液的黏度、彈性、導電性、表面張力和溶質的相對含量等；例如，Fong等[17]發現利用聚環氧乙烷的乙醇和水溶液紡絲時，其溶液的黏度為1～20P，表面張力在35～55dynes/cm之間時才可以進行。而當黏度高于20P時，高黏性的溶液其射流不穩定而導致電紡操作無法進行；當黏度低于1P時，溶液濃度過低而形成液滴也同樣導致電紡操作無法進行。因此，溶液的黏度對靜電紡絲的影響尤為顯著。不同的聚合物由于其本身性質的不同，可紡絲的黏度范圍也各不相同。實際上，溶液的黏度與聚合物的量是成正比的，聚合物含量越高，所得到的前驅溶液黏度就越大。而不同黏度的溶液紡絲得到的形貌也不相同。例如，我們的相關工作對不同黏度的聚甲基丙烯酸甲酯/N，N-二甲基甲酰胺溶液的紡絲結果進行了研究[21]。當溶液的濃度低于10％時，電紡得到的形貌是球，而溶液的濃度達到22％時，電紡得到的形貌才是纖維。此外，我們還分析了裝置變量對電紡形貌的影響。在保持其他條件不變的情況下，減小電源電壓不利于電紡操作的進行；而增大電源電壓，電紡纖維的直徑分布不均勻且帶有較粗的帶狀纖維出現。可見，靜電紡絲的裝置變量也是影響最終形貌的重要因素。

②靜電紡絲裝置變量　包括電紡的電源電壓的大小，收集的距離和電紡溶液的推進速度等；例如，Song等也研究了靜電紡絲裝置變量對電紡纖維形貌的影響[22]。在保持其他條件不變的情況下，紡絲管的針頭和接收裝置之間的電壓在5～15kV，距離為10～25cm時，樣品形貌從相互粘連變為獨立且分布均勻的纖維。而且他們指出，裝置變量的改變對于纖維結構有較大的影響，而對纖維直徑尺寸影響不大[23]。

③靜電紡絲裝置所處的環境因素　包括溫度、濕度和空氣靜電等。例如，Demir等[24]研究了環境溫度對電紡形貌的影響。對于電紡聚亞胺酯，70℃下獲得的電紡纖維比室溫下獲得的更加均勻。主要原因可能是溫度會影響聚合物的溶解度，進而影響到最終黏度。此外，夏幼南也證實了適當的濕度可以使電紡纖維的結構變得光滑，直徑分布均勻[25]。