（一）静电纺丝发展概况

目前，静电纺丝技术是纺制微纳米纤维最重要的方法。这一技术的核心是：使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，得到纤维状物质，这一过程称为静电纺丝，简称静电纺或电子纺。早在1934年，Formhals就报道了利用高压静电纺制人造长丝的方法，随后申请了一系列专利。关于静电纺的理论研究应追溯到20世纪60年代，1969年，Taylor研究针头末端的液滴在施加电场的情况下的变化情况，研究发现液滴被拉伸到制高点时呈锥形，后来学者称这种锥形为“泰勒锥”，对不同的黏流体进行研究，给出了临界电压与聚合物性能的关系式，当锥角在49.30°时，电场力与聚合物的表面张力及黏弹力达到平衡。

随后陆续有一些关于静电纺工艺和理论的研究，专家聚焦于纳米纤维的结构形态研究和结构特征与工艺参数的关系。1971年，Baumgarten首次报道了制备直径在500～1100nm的聚丙烯腈纳米纤维，提出纤维直径变化与溶液黏度和电导率有关。Larrondo和Mandley利用熔融体制备聚乙烯和聚丙烯纳米纤维，得到的纳米纤维直径比溶液纺丝制备的纳米纤维直径大很多，他们研究了纤维直径与熔体温度的关系，当熔体温度增加时，纤维直径减小，并且通过增加两倍的电压将纤维直径减小了50%，表明外加电压对纤维结构特征的重要意义。

随后的几十年中，关于静电纺技术的研究都不多。随着纳米科技的发展，静电纺技术重新受到关注，2000年以后国内外学者才真正开始热衷于静电纺技术，至今仍然处于静电纺的热潮中。

目前的纳米纤维主要以纤维任意分布的非织造布形式存在，往往存在较低的力学性能，其应用领域也具有较大局限。为了扩充纳米纤维的应用范围，由无序的结构向有序排列的方向发展，三维结构的纳米纤维纱的制备应运而生。作为制备纳米纤维的一种简单有效的方法，如何用静电纺技术制备微纳米纤维纱也成为研究的热点。纳米纤维纱的发展基本上经历了从短纳米纤维束、短纳米纤维纱、长纳米纤维束、长纳米纤维纱的过程，其主要加工形式如图6-21所示。

图6-21　纳米纤维纱的主要形式

关于短纳米纤维束的研究开始比较早，但短纳米纤维束没有捻度，强力低，限制了其应用，所以后来没有过多的研究。借鉴普通纱线加捻可增强纤维间的抱合和摩擦，提高纤维束机械强力。科研工作者们开发了短纳米纤维束加捻的各种方法，大致可分为两种，一种是后处理加捻法，另一种是直接加捻法。后处理加捻法先收集纳米纤维，并使纤维或多或少会有一定排列顺序，然后对移出纤维加捻形成纱线。直接加捻法是在静电纺的过程中给纳米纤维束加捻得到纳米纤维纱，关于这方面的研究比较多。短的纳米纤维束或者纳米纤维纱不仅在制备速率上受到限制，而且在应用方面受到制约，连续纳米纤维束的研究相继出现。连续纳米纤维束的研究最早开始于2005年，纤维束成形方法有：静态水浴法、共轭法、金属针诱导纳米纤维自集束法和AC静电法等，但这些方法制备的纳米纤维束没有捻度，强力低，应用受到限制。从研究取向纳米纤维开始，研究者们就致力于连续纳米纤维纱的研究。(www.daowen.com)

（二）静电纺丝设备构造与特点

2004年，捷克ELMARCO公司成功制造出世界上第一台可批量化生产纳米纤维的商用静电纺丝机（纳米蜘蛛），大大促进了静电纺丝技术的商业化发展。

典型的静电纺丝装置示意图如图6-22所示，主要由高压电源、计量泵、纺丝液容器、喷丝头、接收器等部件组成。静电纺的高压电源有DC/DC和AC/DC两种，前者是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器；后者是指交流输入直流输出。在纺丝试验中，普遍使用的高压电源为AC/DC。喷丝头是指装有高聚物溶液或熔体的容器的毛细管部分，纺丝时将其与高压电源正极相连。纤维接收装置顾名思义便是一种收集喷丝头喷出的纤维的装置，一般情况下用导线将收集装置接地作为负极。由于静电纺本身的不稳定性、纤维直径过小、极易发生断丝等因素，静电纺微纳米纤维成纱存在一定困难。纤维定向排列、纱线加捻、长时间连续成纱都是静电纺微纳米纤维成纱的研究重难点。静电纺微纳米纤维成纱途径主要可以分为改变接收装置、增加磁场或添加辅助电极等。目前的成纱方法多为改变接收装置，接收装置可分为固体接收装置和液体接收装置两种。固体接收装置成纱通常以固态的接收板或滚筒作为纤维收集装置，液体接收装置成纱则是利用纺丝溶液与液体表面的相容性，以液体表面作为纤维的凝固浴。以上成纱装置大多都可以制备有一定取向的纳米纤维纱，但普遍存在纤维定向排列程度低、纱线无捻度、成纱时间短等问题，所以静电纺微纳米成纱设备大多在实验室研究阶段，商用设备仍未面世。长时间连续成纱装置有待进一步研究与开发。

图6-22　静电纺丝装置示意图

为得到平行排列且加捻的纳米纤维纱，通常要改变静电纺的纤维接收装置，如选择空心圆筒、水浴、漏斗、喇叭口等方法实现对纤维束的收集，并配置加捻卷绕装置，以实现纳米纤维纱的加捻和卷绕。