2.1　靜電紡納米纖維科學與技術的發展狀況

靜電紡納米纖維技術用于制備具有亞微米或納米尺寸直徑的準三維（quasi-three-dimension）的纖維膜。靜電紡絲的原理相對簡單，但是其紡絲過程及控制是相當復雜的。總體來說，靜電紡絲是導電流體在高壓電場中的自發行為，是基于流體在自身表面張力與外加高壓電場相互作用和相互競爭的結果，該流體通常是高分子溶液。其原理如圖2.1所示。

圖2.1　在應用電場作用下的高分子流體液滴（A），靜電紡過程的高速攝像圖片（B），靜電紡納米纖維在PET無紡布上的SEM圖（C）

具體來講，高分子溶液在噴絲頭處由于自身的表面張力而形成液滴，在外加高壓電場的作用下，該液滴帶電。隨著外加電場的增強，該液滴受到的電場作用力也相應增強。當電場強度增加到一定程度時，電場作用力大于液滴自身的表面張力，該液滴的頂端就會形成Taylor錐形，并以噴射流的方式從紡絲頭飛向接收裝置，該裝置通常不帶電或帶負電。當噴射流在噴絲頭與接收器之間飛行過程中，由于溶劑的揮發造成高分子溶液的濃縮，從而造成黏度的增加和電荷斥力的增強，其結果就是噴射流變得不穩定。這個過程導致噴射流以很高的速度大幅度拉伸，加上自身溶劑的揮發，最終在接收器上形成亞微米或納米粗細的纖維。由于納米纖維在形成的過程中沒有固定取向，所形成的納米纖維以無紡（nonwoven）的方式收集，并且在噴絲和收集裝置以相互垂直的方式運動時，形成二維納米纖維。隨著時間的累計，進一步形成準三維的靜電紡納米纖維膜，其模型如圖2.2所示。

圖2.2　靜電紡納米纖維膜的模擬圖（A）表面和（B）截面

影響靜電紡納米纖維制備和形貌的因素很多，包括材料方面：如無機或有機高分子、天然或合成高分子、雜化材料等；靜電紡溶液參數方面：如溶液濃度、黏度、導電性、溶劑等；靜電紡絲過程方面：如應用電壓、推注速度、噴絲距離、目標收集材料等；以及環境方面：如溫度、濕度等。需要指出的是，以上這些參數相互關聯、互相影響，因此，靜電紡絲過程可以看作是復雜和簡單并存的過程。通過對這些參數的調控，所制備出的靜電紡納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大、纖維直徑和膜孔徑及孔徑分布可調控、孔徑相互貫通、纖維表面微觀形貌可調控、表面易于功能化修飾等等特點。因此，靜電紡納米纖維可以用于能源、環境、生命及醫學、傳感器、健康美容、復合材料及其他領域，如圖2.3所示。研究人員發表了大量的關于靜電紡納米纖維在以上領域應用的綜述。

圖2.3　靜電紡納米纖維技術及應用

靜電紡納米纖維在水凈化領域的應用主要集中在兩個方面：一方面可以作為微濾膜的過濾層直接過濾大尺寸的污染物，如細菌；另一方面作為超濾、納濾、反滲透膜等的過濾層的支持層，基于其獨特的性質包括高孔隙率、大比表面積、孔隙聯通、表面易修飾等賦予過濾膜更高的水通量和截留率。已有大量的文獻分別聚焦于不同的主題，介紹了關于靜電紡納米纖維在水凈化領域的應用。總而言之，靜電紡納米纖維技術通過儀器的配備和材料的選用，可以按照設計者的意愿來制備納米纖維并可加以修飾，使其具有不同的物理化學性質，以滿足各種特殊的水凈化領域的要求，被譽為下一代最有前途和優勢的過濾介質。