2.1　靜電紡絲的基本原理

靜電紡絲是靜電霧化的一個特例。當帶電液體是具有一定分子鏈纏結的高分子液體或熔體時，在對液體施加高壓靜電的過程中，一旦電場強度超過液體的表面張力，就會在噴頭末端的泰勒錐表面高速噴射出聚合物射流。這些射流經過電場力的高速拉伸、溶劑揮發與固化，最終沉積在接收極板上，形成聚合物紡絲，這一過程即為靜電紡絲。如圖2-2所示，一個典型的靜電紡絲裝置主要由四個部分組成：①高壓電源；②注射器；③金屬噴頭；④接收器（如銅板、鋁箔、銅網等）^［4］。

圖2-2　靜電紡絲裝置示意圖^［5］

在靜電紡絲過程中，高壓電場的作用使得噴頭末端和接收裝置之間產生一個強大的電場力。在電場力的作用下，液滴表面因為同時受到靜電斥力和液滴表面張力的作用而處于不平衡狀態，這種不平衡狀態可以用公式（2-1）表示：

　　 （2-1）

式中，γ為噴頭末端液滴的表面張力；R為液滴半徑；e為液滴所帶的總電荷；ε₀為液滴在真空中的介電常數。

當電場力的大小逐漸增大到等于聚合物液體的表面張力時，帶電的液滴就懸掛在噴頭末端并處于平衡狀態。隨著電壓的進一步增加，達到某個臨界值時，噴頭末端的液滴由半球狀拉伸成圓錐狀，形成錐角角度為49.3°的泰勒錐（Taylor cone）^［6］。只有當外加電大于其臨界值時，射流才能從泰勒錐表面噴射出來，臨界壓力的計算公式如式（2-2）所示：

　　 （2-2）

式中，E為臨界電壓；H為兩電極間的距離；L為噴頭與極板間的距離；R₀為噴頭半徑。

如果帶電液體是黏度較小的小分子溶液，電場力將其拉伸分裂成許多細小的液滴。而當帶電液體是高黏度的高分子溶液或熔體時，從泰勒錐頂端噴出的射流會經分化和不穩定拉伸過程被細化或者劈裂成更細的射流，最終固化成聚合物紡絲。在紡絲拉伸過程中，伴隨著溶劑的揮發和熔體的固化過程，紡絲最終以相互交疊、隨機分布的狀態沉積在收集板上，形成三維網狀紡絲膜^［7］。