高壓靜電紡絲技術(shù)電紡絲裝置的組成

電紡絲裝置由基座、噴射口、高壓電源和接收屏組成。在噴射頭與接收屏之間施加一個(gè)高壓電場(chǎng)，電壓通常從1 KV到4 KV。需要紡絲的材料首先被溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，加入到帶有噴射口的容器中。在噴射口和接收屏之間施加的電場(chǎng)力與液體表面張力的作用方向相反，就會(huì)在半球形狀的液滴表面產(chǎn)生一個(gè)向外的力。當(dāng)電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)時(shí)，溶液中的同性電荷被迫聚集在液滴表面，液滴表面電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)使噴射口的液滴由半球形逐漸變?yōu)殄F形（Taylor錐）。當(dāng)電場(chǎng)足夠大時(shí)，射流就從液滴表面噴出。一般來(lái)說(shuō)，溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，越容易形成噴射。噴射流隨后被電場(chǎng)力加速并拉長(zhǎng)，與此同時(shí)，易揮發(fā)的溶劑開(kāi)始揮發(fā)，造成射流束，射流束直徑隨著溶劑的揮發(fā)而變?。簧淞鞯恼承栽黾?。射流離開(kāi)液滴表面附近的基底區(qū)域進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域的時(shí)候，由于射流表面所帶電荷的相互排斥力，射流會(huì)分散開(kāi)來(lái)，形成許多直徑相似的細(xì)小纖維落在接收屏上，得到具有納米纖維結(jié)構(gòu)的薄膜材料。最終得到的纖維直徑取決于單位長(zhǎng)度上的電荷以及射流分散形成纖維的多少。

整個(gè)電紡絲過(guò)程由多個(gè)可變化的參數(shù)調(diào)控，主要包括溶液的性質(zhì)、可控變量和周圍參數(shù)。溶液的性質(zhì)包括：溶液的黏度、傳導(dǎo)性、表面張力、聚合物分子量、偶極距和介電常數(shù)；可控變量包括流量、電場(chǎng)力、針頭與接收屏之間的距離、針頭的形狀、接收屏的材料成分和表面形態(tài)；周圍參數(shù)包括：溫度、濕度和風(fēng)速。

溶液的粘度是對(duì)纖維直徑和形態(tài)造成影響的最主要因素。在低濃度的條件下，噴射出的溶液通常會(huì)在接收屏上形成珠子和小液滴。整個(gè)過(guò)程可以看作是電噴而不是電紡。除此之外，還會(huì)出現(xiàn)交織、打結(jié)情況，提示射流束在落到接收屏上時(shí)溶劑未完全揮發(fā)。一般來(lái)說(shuō)通過(guò)增加聚合物的濃度可以得到直徑比較一致的纖維，罕見(jiàn)珠子和交聯(lián)現(xiàn)象。當(dāng)溶液的黏度過(guò)大時(shí)，液滴在沒(méi)有掉落的時(shí)候就已經(jīng)干了，也會(huì)影響紡絲的進(jìn)行。當(dāng)溶液的濃度為纏結(jié)濃度的2~2.5倍的時(shí)候，可以得到均一的，沒(méi)有珠子的纖維。電紡絲纖維的直徑隨溶液濃度的提高和接受面積的減小而增加。電紡絲纖維的直徑分布通常符合單峰分布規(guī)律。但是也會(huì)有雙峰分布的情況，這種情況可能是由纖維束在運(yùn)動(dòng)中部分發(fā)生散射所致。這種直徑尺寸為雙峰甚至多峰分布的納米纖維材料可能也具有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樵谔烊患?xì)胞外基質(zhì)中，納米纖維的尺寸并不是均一的，不同直徑的纖維各自發(fā)揮著不同的作用。因此，在某些情況下，可以考慮利用這種現(xiàn)象來(lái)設(shè)計(jì)更加接近天然細(xì)胞外基質(zhì)的納米纖維材料。

很多研究結(jié)果顯示，通過(guò)增加溶液的電導(dǎo)性或電荷濃度，有助于形成直徑更加均勻的纖維，并可減少珠子的形成。另外，在葡聚糖紡絲溶液中添加蛋白質(zhì)分子可以使纖維直徑減小，由于蛋白質(zhì)并不會(huì)增加溶液的黏度，所以可以推斷，纖維直徑的改變是由于溶液電荷密度的變化所導(dǎo)致的。與此相同，在紡絲溶液中加入陽(yáng)離子表面活性劑也可以獲得直徑更小的纖維。在紡絲溶液中添加陰離子表面活性劑的作用目前還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。表面張力對(duì)纖維的形態(tài)和直徑也有明顯的影響，但是還沒(méi)有找到統(tǒng)一和明確的規(guī)律。聚合物分子量的增加會(huì)使其C*降低，隨著聚合物分子量的增大，纖維中所形成的珠子明顯減少。

電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電紡絲過(guò)程具有明顯的影響。在適當(dāng)?shù)碾妷夯螂妶?chǎng)下，液滴通常會(huì)懸掛在針尖處，噴嘴出形成“Taylor錐”，可以紡出沒(méi)有珠子的紡絲薄膜。隨著電壓的增加，在針尖部聚集的液滴越小，形成的“Taylor錐”后退，液體表面噴射點(diǎn)退縮到針尖的內(nèi)部，紡絲纖維會(huì)出現(xiàn)大量的珠子。當(dāng)電壓繼續(xù)增加的時(shí)候，噴射點(diǎn)圍繞針尖處旋轉(zhuǎn)，在這種情況下會(huì)形成大量的珠子。

改變收集屏和針頭之間的距離是控制纖維的直徑和形態(tài)的手段之一。當(dāng)收集屏的距離過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近時(shí)，紡絲纖維均會(huì)出現(xiàn)珠子。電紡絲用針尖可以有很多樣式。如在兩個(gè)噴射器中注入兩種不相溶的液體，應(yīng)用這種方法可以紡出中空的納米纖維。應(yīng)用這種噴絲頭也可以制造芯－殼型復(fù)合納米纖維。此外，在電紡絲過(guò)程中應(yīng)用多噴頭技術(shù)，可以提高紡絲的效率，也可用于制備多種納米纖維混合的薄膜。例如應(yīng)用四個(gè)噴頭，可以紡織出不同組成的纖維；利用兩個(gè)針頭，一個(gè)可以橫向移動(dòng)的收集屏，可以制成兩種納米纖維的混合物，橫向移動(dòng)的收集屏可以形成更加均一的纖維分布。

收集屏采用的材料和幾何結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)纖維形貌產(chǎn)生影響，是重要的控制因素之一。例如電紡絲纖維可用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓筒來(lái)接收，這樣可以得到定向排列的纖維。把這種方法做進(jìn)一步的改良，用銅絲纏繞出一個(gè)鼓型接收裝置，就可以得到定向排列更好的納米纖維。另外一種方法是用一個(gè)鋼針作電極，置于沒(méi)有傳導(dǎo)性的旋轉(zhuǎn)圓柱狀收集屏后面，可以得到長(zhǎng)度大于10 cm的定向排列的纖維。這種旋轉(zhuǎn)的鼓式接收屏也可與之前提過(guò)的多電場(chǎng)方法相結(jié)合，獲得很細(xì)的纖維束。Theron等應(yīng)用一種“錐形的接地的轱轆樣線軸”，收集獲得定向排列的PEO納米纖維。應(yīng)用這種方法獲得的纖維長(zhǎng)度有幾百微米，直徑在100~300nm之間（圖8-4）。

圖1 高壓靜電紡絲的纖維收集方法及纖維薄膜的相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)。左側(cè)：不同的收集方法示意圖，左上圖為無(wú)規(guī)納米纖維的收集方法，左下圖為取向納米纖維的收集方法。右側(cè)：不同收集方法得到的納米纖維薄膜的掃描電鏡圖（圖片來(lái)自：Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering，C.Y. Xu, R. Inai, M. Kotaki, S. Ramakrishn，Biomaterials 25 (2004) 877–886）

有少量的實(shí)驗(yàn)研究了周圍環(huán)境常數(shù)對(duì)電紡絲的影響，如溫度和濕度的影響。濕度增加會(huì)使纖維表面形成一些圓形小孔；進(jìn)一步增加濕度會(huì)導(dǎo)致小孔相互粘合。在真空環(huán)境中可以獲得較高的電場(chǎng)，在這種條件下，獲得的纖維直徑較大。綜上所述，不同參數(shù)對(duì)電紡絲過(guò)程均有影響，相互之間不是獨(dú)立了，而是相互關(guān)聯(lián)。

[1] Pham QP, Sharma U, Mikos AG. Electrospinning of polymeric nanofibers fo tissue engineering applications: a review. Tissue Eng., 2006, 12(5): 1197-1211.

[2] Xu CY, Inai R, Kotaki M, Ramakrishna S. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials, 2004, 25(5): 877–886.

本書是一部高壓靜電紡絲技術(shù)和納米纖維方面的著作，內(nèi)容涵蓋從高壓靜電紡絲技術(shù)基本原理到制備方法以及應(yīng)用研究的相關(guān)知識(shí)。全書由8章組成，第1章是高壓靜電紡絲技術(shù)導(dǎo)論；第2章主要介紹高壓靜電紡絲過(guò)程以及紡絲的基本原理；第3章介紹高壓靜電紡絲材料的結(jié)構(gòu)特征；第4章介紹高壓靜電紡絲技術(shù)制備天然高分子納米纖維；第5章介紹高壓靜電紡絲技術(shù)制備合成聚合物納米纖維；第6章介紹高壓靜電紡絲技術(shù)制備聚合物/無(wú)機(jī)物復(fù)合納米纖維；第7章主要介紹高壓靜電紡絲技術(shù)制備無(wú)機(jī)納米纖維材料；第8章主要介紹靜電紡絲技術(shù)的應(yīng)用研究。

本書可供從事高壓靜電紡絲技術(shù)的科研工作者使用，也可供具有不同專業(yè)背景的更廣泛的讀者群體了解高壓靜電紡絲技術(shù)時(shí)參閱。

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書序

前言

第1章　緒論

第2章　高壓靜電紡絲概述

第3章　高壓靜電紡絲材料的結(jié)構(gòu)特征

第4章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備天然高分子納米纖維

第5章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備合成聚合物納米纖維

第6章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備聚合物/無(wú)機(jī)物復(fù)合納米纖維

第7章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備無(wú)機(jī)納米纖維材料

第8章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料的應(yīng)用研究

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書序

前言

第1章　緒論

第2章　高壓靜電紡絲概述

第3章　高壓靜電紡絲材料的結(jié)構(gòu)特征

第4章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備天然高分子納米纖維

第5章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備合成聚合物納米纖維

第6章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備聚合物/無(wú)機(jī)物復(fù)合納米纖維

第7章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備無(wú)機(jī)納米纖維材料

第8章　高壓靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料的應(yīng)用研究