靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

賀曉亞

江西服裝學(xué)院(中國(guó))

靜電紡絲技術(shù)是利用聚合物熔體或溶液在強(qiáng)電場(chǎng)中霧化，經(jīng)過(guò)微小射流固化成絲的一種纖維制造工藝。1934年Formalas利用靜電力制備聚合物纖維，這被公認(rèn)為是靜電紡絲技術(shù)制備纖維的開(kāi)端。此后，靜電紡絲技術(shù)的研究發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段。

第一階段：研究主要集中在聚合物可紡性的探討和紡絲工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑與性能的影響。

第二階段：研究重點(diǎn)為靜電紡納米纖維結(jié)構(gòu)與成分的分析與精細(xì)調(diào)控。

第三階段：研究方向?yàn)殪o電紡納米纖維在光電、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

第四階段：研究的熱點(diǎn)為靜電紡絲纖維批量制造。

上述4個(gè)階段相互交叉，并無(wú)明顯的時(shí)間分界線。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)在材料、裝置及工藝等方面不斷豐富完善：應(yīng)用材料涵蓋無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料；紡絲裝置型號(hào)眾多；工藝更加可控，成本更低。靜電紡絲技術(shù)已成為有效紡制納米纖維的一種重要手段，在耐高溫材料、醫(yī)學(xué)材料、環(huán)保材料及其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 靜電紡絲技術(shù)在制備耐高溫納米纖維中的應(yīng)用

耐高溫材料指在溫度超過(guò)1 580 ℃仍能保持其原有的化學(xué)與物理性能穩(wěn)定性的材料。典型的耐高溫纖維材料為美國(guó)杜邦公司于20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的芳綸纖維。納米纖維較高的表面能使其具有量子尺寸效應(yīng)、界面與表面效應(yīng)及小尺寸效應(yīng)等，從而具有較好的耐高溫性能，被廣泛應(yīng)用于傳感器、吸附過(guò)濾、電池隔膜等[1-2]領(lǐng)域。目前，常見(jiàn)的耐高溫納米纖維可分為無(wú)機(jī)類耐高溫納米纖維與高聚物類耐高溫納米纖維兩大類。

1.1 無(wú)機(jī)類耐高溫納米纖維

無(wú)機(jī)類耐高溫納米纖維以無(wú)機(jī)陶瓷納米纖維為代表，具有抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、比模量高等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)備受關(guān)注的新型材料[3]。

目前，靜電紡無(wú)機(jī)陶瓷納米纖維的生產(chǎn)工藝流程由3個(gè)環(huán)節(jié)組成：配制無(wú)機(jī)與有機(jī)電紡復(fù)合紡絲液、紡制無(wú)機(jī)有機(jī)雜化電紡絲、高溫煅燒除去有機(jī)電紡絲。利用該工藝流程，Shao等[4-6]紡制了氧化鎂、氧化鎳及氧化銅陶瓷納米纖維，Viswanathamurthi等[7-8]紡制了氧化鋅、氧化鈀陶瓷納米纖維。在現(xiàn)階段紡制的諸多無(wú)機(jī)陶瓷納米纖維中，氧化鋁納米纖維性能突出，熔點(diǎn)高達(dá)2 040 ℃，且質(zhì)量輕，力學(xué)性能、抗氧化性與耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。

1.2 高聚物類耐高溫納米纖維

常見(jiàn)的高聚物類耐高溫納米纖維有含氟類、咪唑類與酰胺類3類高聚物納米纖維。氟原子半徑小，電負(fù)性大，賦予含氟聚合物化學(xué)惰性、耐油且熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。研究表明，含氟高聚物在200 ℃以下形變較小，工作熱穩(wěn)定性較好。Xiong等[9]以聚四氟乙烯(PTFE)與聚乙烯醇(PVA)為原料(PTFE與PVA質(zhì)量比為5∶1)，靜電紡制得納米纖維膜，該纖維膜經(jīng)390 ℃高溫處理后，PVA被去除，PTFE纖維仍保持原形貌。聚苯并咪唑由二元酸與四元銨鹽酸鹽或四元胺縮聚而成，耐溫高達(dá)400 ℃以上。Li等[10]利用靜電紡絲法制備了聚苯并噁嗪改性聚苯并咪唑纖維，提高了聚苯并咪唑的耐高溫性，其納米纖維在160 ℃無(wú)水狀態(tài)下的導(dǎo)電率高達(dá)17 S/cm，是較理想的電池傳導(dǎo)材料。酰胺類高聚物是目前制備耐高溫有機(jī)材料的主要原料，可分為聚砜酰胺、聚酰亞胺與芳香族聚酰胺。聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)具有優(yōu)異的彈性模量、熱穩(wěn)定性及耐酸堿性。Srinivasan等[11]采用濃硫酸溶解PPTA，配制其低濃度溶液，再利用靜電紡絲技術(shù)成功制備耐高溫PPTA纖維膜。隨著靜電紡絲技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的耐高溫纖維材料被成功制備，加速了耐高溫材料的發(fā)展。

2 靜電紡絲技術(shù)在醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用

研究表明，靜電紡納米纖維具有較強(qiáng)的生物相容性及較大的比表面積，適合作為生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用于藥物控釋、組織工程等領(lǐng)域。

2.1 藥物控釋

藥物控釋體系可對(duì)藥物釋放的速率進(jìn)行控制，提高藥效在機(jī)體內(nèi)的持續(xù)時(shí)間，減少多次用藥帶來(lái)的痛苦。藥物控釋方式有2種：一是利用高聚物制備微膠囊的核壁，將藥物作為微膠囊的核芯，從而制備成核殼結(jié)構(gòu)微膠囊；二是將藥物與紡絲液混合均勻后采用靜電紡技術(shù)制備載藥納米纖維[12-13]。傳統(tǒng)藥物緩釋主要是通過(guò)微膠囊進(jìn)行控制，靜電紡技術(shù)相比傳統(tǒng)微膠囊技術(shù)，具有藥效持久、靶向定位率高、毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)。Kiatyongchai等[14]綜合利用上述2種控釋方式制備的核殼載藥納米纖維，在人工胃液環(huán)境下，所載藥物的半衰期由原來(lái)的5 h延長(zhǎng)至24 h。

2.2 組織工程支架

靜電紡絲技術(shù)在組織工程中的應(yīng)用主要集中在骨、血管、神經(jīng)、皮膚組織工程支架及傷口愈合輔料。靜電紡絲材料可作為組織工程支架材料的主要原因[15]如下：

——可使納米纖維定向排列從而引導(dǎo)細(xì)胞的定向生長(zhǎng)與遷徙；

——可通過(guò)加工工藝與對(duì)材料調(diào)控，使其與機(jī)體達(dá)到良好的生物相容性與降解性；

——具有較高的比表面積和孔隙率，適合細(xì)胞的增殖；

——可仿生制備與人體內(nèi)天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECMs)結(jié)構(gòu)高度相似的支架材料。

靜電紡骨細(xì)胞支架不僅能很好地支持礦化組織形成，還能保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Ngiam等[16]發(fā)現(xiàn)PLGA-膠原蛋白納米纖維經(jīng)羥基磷灰石礦化后，靜電紡納米纖維對(duì)成骨細(xì)胞具有分化作用。Yuan等[17]制備的三維管狀支架與人體血管組織分布狀態(tài)相似，其由內(nèi)向外的3層分布結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)胞的增殖與分布。賀梨萍[18]采用同軸靜電紡絲法制備的神經(jīng)組織工程支架，所載雙營(yíng)養(yǎng)因子具有引導(dǎo)生長(zhǎng)與增殖細(xì)胞的作用，對(duì)修復(fù)長(zhǎng)距離神經(jīng)缺損有較廣闊的應(yīng)用前景。靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有大比表面積、高孔隙率等特點(diǎn)，為細(xì)胞的增殖與轉(zhuǎn)移提供了良好條件，因此其在傷口愈合方面也具有較大優(yōu)勢(shì)。Chen等[19]使用乙酸、環(huán)氧乙烷、殼聚糖及骨膠原紡制納米纖維繃帶，用于老鼠傷口，并與膠原蛋白海綿和棉紗布對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所得納米纖維對(duì)傷口的愈合效果優(yōu)于膠原蛋白海綿和棉紗布。

3 靜電紡絲技術(shù)在環(huán)保材料領(lǐng)域的應(yīng)用

靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜具有比表面積大、空隙率高、連續(xù)性好及纖維膜孔徑小等特點(diǎn)，對(duì)有機(jī)染料、重金屬、油脂等有較高的吸附作用，應(yīng)用于生物過(guò)濾、空氣凈化、污水處理等領(lǐng)域，處理效果較普通過(guò)濾材料均有不同程度提升，在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。Ma等[20]利用聚偏氟乙烯與聚乙烯亞胺為原料紡制的納米纖維膜，對(duì)甲基橙染料的吸附量高達(dá)633.3 mg/g。Li等[21]紡制的多孔碳/TiO2納米纖維膜，對(duì)伊紅、甲基橙、亞甲基藍(lán)及剛果紅染料具有較好的吸附能力。萬(wàn)和軍等[22]利用天然棕色棉纖維經(jīng)靜電紡絲制備的納米纖維素膜，對(duì)Cu2+的吸附能力為普通原棉的3～5倍，且可在16 s內(nèi)完成吸附，極大地改善了吸附效果與吸附效率。Guan等[23]開(kāi)發(fā)的聚甲醛(POM)納米纖維材料、曾良濱等[24]開(kāi)發(fā)的聚丙烯纖維材料及Tai等[25]開(kāi)發(fā)的碳硅納米纖維材料對(duì)油脂均具有較好的吸附效果，為回收治理海上泄漏的石油開(kāi)辟了新的思路。近年來(lái)，采用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維過(guò)濾材料的研究聚焦于PM 2.5過(guò)濾材料，如Leung等[26]對(duì)制備的多層聚氧乙烯納米纖維膜進(jìn)行空氣過(guò)濾試驗(yàn)，證實(shí)了多層納米纖維膜具有良好的空氣灰塵過(guò)濾性能。

4 靜電紡絲技術(shù)在其他材料領(lǐng)域的應(yīng)用

除上述應(yīng)用領(lǐng)域之外，靜電紡絲技術(shù)也應(yīng)用于電子元件、防護(hù)服、復(fù)合材料及吸聲材料等其他領(lǐng)域。Zhang等[27]利用靜電紡絲技術(shù)紡制聚天冬氨酸纖維膜，并將其應(yīng)用于傳感器，使傳感器在堿性環(huán)境中對(duì)Cu2+的檢測(cè)靈敏度精確至0.01 mg/L，極大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。Sargazi等[28]采用靜電紡絲技術(shù)制備的納米非織造膜，對(duì)阻止有毒氣體物質(zhì)吸入人體具有較好的效果。在復(fù)合增強(qiáng)材料方面，由于靜電紡納米纖維分子排序整齊，比表面積大，其作為復(fù)合材料的填充材料，發(fā)生機(jī)械互鎖幾率高，能夠在很大程度上提高復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度。靜電紡納米纖維還可用作吸聲材料，Elmarco公司利用靜電紡技術(shù)制備的納米纖維吸聲材料優(yōu)于傳統(tǒng)吸聲材料[29]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，靜電紡納米纖維的應(yīng)用將更加廣泛。

5 結(jié)語(yǔ)

靜電紡絲技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。隨著中國(guó)政策支持與科研工作者的持續(xù)關(guān)注，以及靜電紡絲材料相關(guān)企業(yè)對(duì)靜電紡絲生產(chǎn)資金與技術(shù)投入的增加，中國(guó)靜電紡絲技術(shù)呈迅速發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前在中國(guó)與靜電紡絲相關(guān)的科研院所和企業(yè)已覆蓋30余個(gè)省、市、區(qū)。盡管靜電紡絲相關(guān)企業(yè)在自主研發(fā)能力、批量生產(chǎn)及生產(chǎn)工藝參數(shù)控制等方面還有很大的改善空間，但隨著“中國(guó)制造”的發(fā)展，靜電紡作為一種新型加工技術(shù)，必將走向規(guī)模化生產(chǎn)，以滿足市場(chǎng)對(duì)環(huán)保、節(jié)能及多功能納米纖維產(chǎn)品的需求。