静电纺丝是一种利用高压静电作用将聚合物溶液制备成连续纤维的方法。制备聚合物纤维的传统方法包括熔融纺丝、溶液纺丝、液晶纺丝和胶体纺丝等,用这些方法得到的纤维的直径范围一般为5～500μm而采用静电纺丝技术制得的纤维直径可达纳米级其直径范围一般在3nm～5μm。

静电纺丝原理

　　静电纺丝过程中，在接收装置和针头之间接入高压电源，在电场作用下，纺丝液表面会被极化产生电荷，这些电荷在静电作用下进行有规律的运动，致使聚合物液滴呈现圆锥体形状，即Taylor锥。当纺丝电压可以增大到能克服液体的表面张力时，就会有溶液从喷头处射出;喷射过程中的液体首先在推力和静电力的作用下沿着直线飞行，若是装置水平放置，则会在重力因素的影响下呈抛物线的形式向前飞行;接着喷射流会经过不稳定阶段而发生螺旋摆动，同时伴随着溶剂挥发和纤维固化，最终在接收装置上形成超细纳米纤维。

纤维收集方法

　　改进电纺纤维收集方法制备纳米纤维束主要是通过改造静电纺丝接收装置来实现，其原理是通过改变接收装置的排布/形状来改变电场分布使得接收到的电纺纤维定向排列，或通过接收装置以一定的运动方式，利用机械力使得接收到的电纺纤维抱合在一起。

　　1. 平行金属片收集法

　　平行金属片收集法是利用电场平行分布在平行放置的导电体之间的原理，使得收集到的电纺纤维在金属片之间平行排列，随着时间的增加，电纺纤维会重叠地沉积在一起，形成纳米纤维束。

　　此装置结构简单，纳米纤维不易黏附于接地基底，便于收集，且可以通过调节电压、金属片之间的相对位置、金属片与喷头之间的距离和金属片的数量来构筑不同形态、尺寸的纳米纤维束。

　　2. 飞轮收集法

　　飞轮收集法是使用带有锋利边缘的飞轮作为收集器，如图所示。飞轮会将喷头发散出的电场集中在锋利的边缘，射流在该电场作用下会集中飞向飞轮的边缘处而不是无规律的鞭流运动，并在靠近飞轮收集器处集结成束，然后被快速转动的飞轮以一定取向收集起来。

　　飞轮是周期性定向运动，该装置能够获得一定长度的连续化纳米纤维束，且其纤维束的抱合力比平行金属片收集装置获得的纤维束高，乱丝较少。

　　3. 凝固浴收集法

　　凝固浴收集法是利用静态或者动态液体凝固浴作为收集器，然后将沉积在其中的纳米纤维以一定的方式成束状进行收集。

单水浴收集装置

　　将喷头对准水浴装置的水面进行喷射，再通过牵引装置将沉积在其中散乱的纳米纤维拉出凝固浴，在牵引过程中纤维间的液体因为重力等原因流失，纳米纤维由于液体的表面张力集结在一起，从而获得平行有序的纳米纤维束。

双水浴收集装置

　　上水浴装置的水从底部的孔泄漏到下水浴装置，其水面会因此形成了旋涡，而沉积在水面上的纳米纤维会随涡流运动先进行加捻、集束，最后由滚筒收集。研究发现，通过调节牵引速度可以有效减少纤维束中纤维回折和乱丝现象，并且随着牵引速度的增加，纳米纤维束的尺寸、纳米纤维扭转角、纱线支数和捻度都会随之下降。

产生漩涡过程

　　与前两种收集法相比，凝固浴收集法避免了由于纤维间残留静电排斥作用而导致集结成束失效，因 此可以获得更长的连续化纳米纤维束，且使用双水浴装置可以得到具有一定捻度的纳米纤维束，力学性能也有所提高。

　　4. 圆盘/漏斗加捻收集法

　　圆盘/漏斗加捻收集法是将一个或者多个金属圆盘/漏斗作为收集器，并通过卷绕装置集结成束、通过圆盘/漏斗的旋转对收集到的纳米纤维进行加捻。

　　Ali等将两个喷头连接正负静电压电源，放置在漏斗两侧，当电源接通后，大量的纳米纤维会沉积在漏斗边缘并形成锥形的纤维网，通过滚筒牵引成束。

　　圆盘/漏斗加捻收集法的本质是利用机械力进行加捻和集束，因此，此法避免了残留静电作用对纤维取向的影响，也避免了凝固浴的残留和污染。

总结

　　一般在纤维接收板上形成的连续纤维都是杂乱无序的，取向性差，然而通过改进静电纺丝装置或者通过一些特殊的装置可获得有序排列的纤维。

参考文献

[1]李岩,黄争鸣.聚合物的静电纺丝[J].高分子通报,2006(05):12-19+51.

[2]肖红飞. 静电纺丝制备聚酯无纺布及其亲水改性[D].东华大学,2021.DOI:10.27012/d.cnki.gdhuu.2020.000275.

[3]唐寅,顾雪萍,冯连芳等.静电纺丝制备纳米纤维束及其应用[J].高校化学工程学报,2019,33(04):765-774.

[4]Yousefzadeh, M., Latifi, M., Teo, W.-E., Amani-Tehran, M. and Ramakrishna, S. (2011), Producing continuous twisted yarn from well-aligned nanofibers by water vortex. Polym Eng Sci, 51: 323-329. https://doi.org/10.1002/pen.21800

[5]Usman Ali , Yaqiong Zhou , Xungai Wang & Tong Lin tongl@deakin.edu.au (2012) Direct electrospinning of highly twisted, continuous nanofiber yarns, The Journal of The Textile Institute, 103:1, 80-88, DOI: 10.1080/00405000.2011.552254

文章来源：高分子物理学