电纺丝( electrospinning) 又称静电纺丝( electrostatic spinning) , 是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。近年来, 电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法, 引起了人们的广泛关注。理论上, 任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工。目前世界上已成功进行电纺丝加工的聚合物超过30 种, 包括DNA、胶原、丝蛋白等天然高分子, 以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯醇、聚己内酯、聚氨酯等合成高分子。

原理

在电纺丝过程中, 喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下, 受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴, 在电场诱导下表面聚集电荷, 受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时, 喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状, 形成所谓的 泰勒锥 ( Taylorcone) 。而当电场强度增加至一个临界值时, 电场力就会克服液体的表面张力, 从 泰勒锥中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳, 产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中, 喷射流被迅速拉细, 溶剂也迅速挥发, 最终形成直径在nm级的纤维, 并以随机的方式散落在收集装置上, 形成无纺布。

电纺丝设备产业化现状

2003年9月,捷克利贝雷茨大学与 E lmarco公司合作, 研制出了世界上首台纳米纤维纺丝机-纳米蜘蛛。纳米蜘蛛取 消了传统电纺中的喷丝头, 取而代之的是一个圆筒, 圆筒被部分浸入到聚合物溶液中, 不断转动 并在电场作用 下形成无数 Taylor锥, Taylor锥喷射射流群形成纳米纤维, 将生产效率由传统的单喷丝头纺丝机的 011 ~ 1g/h提高到 1 ~ 5g/m in, 并能生产宽幅超过 1m 的大面积无纺布, 为未来电纺丝纳米纤维的大规模工业化生产打下了良好的基础。

目前全球参与电纺丝产品研制开发的大型公司和企业约有几十家, 如 Elmarco公司、Freudenberg公司、Donalson公司、日本的株式会社、美国的 STAR Inc. 公司和 eSpin公司等。我国目前电纺丝科研技术处于世界先进水平, 但一直没有形成规模的工业生产。其中，永清华源生物材料科技公司生产的HY-1型静电纺丝设备，在国内和日本加多公司的neu型形成鲜明的对比。HY-1型电纺丝设备把传统的机械操作分布式功能，利用数控机械装置集成化实现。在纺丝过程中，通过推注，往复平移等控制系统对液体流速进行精确控制。实现了真正操作简单、可重复性、小规模生产批量化的特点。目前，该公司已研制出了国内首台纳米纤维大型纺丝机-Sining,能生产宽幅为1m的大面积无纺布, 产率约为100m/min。这意味着国内电纺丝纳米纤维的大规模工业化生产已经开始。?