（一）静电纺微纳米纤维纺纱原理

静电纺的基本方法是在喷射装置和接收装置间施加高达万伏的静电场，从纺丝液的锥体端部形成射流，并在电场中被拉伸，最终在接收装置上形成非织造布状的纳米纤维。

静电纺是指将带电的高分子溶液或熔体置于稳定的电场中，在电场力的作用下发生一系列复杂的鞭动，在此过程中伴随着溶剂蒸发或熔体固化，得到纳米级的纤维。纺丝的大致过程为：将聚合物纺丝液置入连接计量泵的针头中，在针头与接收装置之间施加高压静电，使针头和接收装置之间产生一个稳定的电场力。纺丝液从针头端挤出，液滴表面就带有大量的静电电荷，随着电荷的累积及其之间的相互作用，达到某一临界值时，液滴形成泰勒锥。随着电场强度增大，电场力使溶液表面分子克服表面张力，向外喷射出来，并沿着电场的方向高速运动。此过程喷射出的带电射流在其轴上受到电场力的高度拉伸，形成一个短距离的稳定运动。射流经过短距离的稳定运动之后，就进入不稳定运动阶段。在此阶段内，射流被进一步拉伸，直径急剧减小，同时射流中的溶剂快速挥发，最终形成直径分布在几纳米至几微米的纤维。此阶段内，由于射流的表面电荷、流速和半径等不同，这种不稳定性会沿射流轴向传递并扩大，表现为不同的不稳定模式。大体分为三种：两种轴对称的不稳定性和一种非轴对称的不稳定性。其中，第一种轴对称不稳定性（又称瑞利不稳定性），由表面张力决定，在电场力大大超过表面张力的情况下可以忽略；第二种轴对称不稳定性均由电本质引起，因为电本质在高电场强度下对射流的电导率较表面张力敏感；另外，非轴对称的不稳定性在较高电场强度下能够促使不稳定的射流劈裂成更细小的射流。射流运动状态如何，处于何种不稳定模式，取决于这三种不稳定性哪一种居主导地位。

静电纺丝射流运动是一个复杂的电子流体动力学过程，典型的静电纺丝射流运动即高聚物溶液从喷射孔流出到最终纤维落到收集板，可分成三个过程：

①泰勒圆锥形液滴的形成及射流的伸长；

②射流的分裂及不稳定；

③溶剂挥发及形成纤维的流动。

1.射流的形成

Reneker等认为液体流从滴管口喷出后，在电场力的作用下，快速向阴极板的方向加速，在加速的初始阶段，由于表面张力和自身黏弹性远远大于电场力，所以液体流不断地被拉长变细并保持直线轨迹。当液体流被拉长（延长）至一定距离后，液体流将发生力学松弛，发生力学松弛时液体流的长度与外加电场的强度成正比，而一旦发生力学松弛，液体流所带电荷的不同部分，尤其是表面电荷的相互作用，将导致液体流的不稳定，使液体流发生分裂或非直线的螺旋运动。

从表面现象的观察可知，毛细管顶端的液滴将成为凸形的半球状。在液滴表面施加某一电位，液滴曲面的曲率半径将逐渐改变，当电位达到某一临界值Vc时，半球状液滴会转变为锥形（即泰勒锥），其锥形的角度为49.3°，临界电位值Vc由下式确定：

式中：H为毛细管与地极之间的距离；L为毛细管长度；R为毛细管半径；γ为液体的表面张力。

对于悬在毛细管端的半球状液滴，可以发生静电喷涂时的电压V与式（6-19）的Vc相似，其值由下式确定：

式中：r为悬滴的半径。

在式（6-19）和式（6-20）的推导中，均假定液滴周围是空气，液滴内的流体是稍有导电性的简单分子。随着电场强度增加，泰勒锥沿直线拉伸变形，当电场力达到一定值时，带电荷的射流从泰勒锥顶端喷出，射流在电场中沿直线加速运动，射流直径不断减小。电荷通常表现为离子形式，离子在聚合物溶液中漂流的速度比射流的轴向速度小，可把所受的电场力传递到聚合物溶液。与此电场力抗衡的是射流的伸长黏性力，两者的合力产生纵向的拉力，使射流在初始阶段保持稳定的直线运动。这样经过一段距离之后，静电纺射流开始经历拉力松弛。这段距离的长短由电压决定，增大电压，距离也将随之增加。

2.射流的拉伸(www.daowen.com)

当曝光时间在毫秒级时，在PEO水溶液静电纺过程中，射流在电场中直线运动几厘米后，又出现一个锥状体为“倒锥体”，形成不稳定区。Shin等采用高倍摄像机，曝光时间为18ns时，观察到“倒锥体”实际是由“鞭动”不稳定性造成的，它不是由细流的分支组成的，而是由流体中心线的快速波动引起的，这是多级螺旋高速行进引起的光学错觉。Reneker等用高速摄影机拍摄纺丝过程中发现，所形成纤维的方向，并不是从喷丝口到接收屏的方向，而是与这个方向垂直。也就是说，纤维飞行的路径，是环绕这个方向的螺旋。这些高速摄像和理论计算的结果说明，从纺丝口到接收器之间，纤维是连续的，呈大小不等的多级螺旋状。

3.射流固化收集阶段

收集区是射流运动停止的区域。射流中溶剂挥发或熔体固化后成为纤维，纤维的收集可以视情况选择，如金属板、水浴、机械卷鼓和空气动力流体等。

（二）静电纺微纳米纤维纺纱原理

为顺利成纱，静电纺微纳米纤维需要取向排列。在控制电纺纤维空间取向的研究中，采用特殊的接收装置是直接、有效的方法。静电纺纤维取向排列并加上一定捻度后，即可形成连续纳米纤维。常见的静电纺微纳米纤维纱的过程与原理简要介绍如下。

滚筒法制备碳纳米管增强的PLA和PAN纳米纤维纱，如图6-23（a）所示，纤维先通过一个空气调节空心圆筒，再通过滚筒牵伸，最后集束、加捻、卷绕，但没有详细的纱线加捻情况报道。

Eugene Smit等最先提出了利用水作为纤维凝固浴进行纳米纤维纱的收集，如图6-23（b）所示。这种成纱装置充分利用液体的表面张力及其流动性，纱线的形成可以分为三个阶段：纳米纤维在水面沉积聚拢；人工将第一束纤维引导到卷绕辊上；纤维在水的表面张力作用下抱合并定向排列。刘红波等在此基础上增加了张力导向装置。共聚物长丝纱经过一定的牵伸后卷绕到收集辊上，该方法可持续时间长，纺丝时间达到12h无断头，得到的纱线中纤维具有一定的取向度。但该方法存在缺陷，如使纱线中的纤维定向排列的动力只有水的表面张力和卷绕装置的牵伸力，故形成的纱线中存在许多折叠的纤维，且纱线没有捻度，成纱速度缓慢且易因为纺丝速率低而发生断头等。

动态水浴法也可对静电纺纤维进行收集，如图6-23（c）所示，制备得到连续纳米纤维纱，与静态水浴法相比，动态水浴法利用液体从浴槽底部开的小孔向下流动形成的漩涡对纤维进行加捻、拉伸、集束，最终卷绕得到连续的纤维纱，因而纱线具有一定的捻度。

自集束法是在收集系统中引入一根接地的针，这样由于很强的静电力场集中于针尖，就会引导生成的纤维向针尖运动，从而形成集束作用，之后通过一定转速的收集辊将生成的纤维束连续地收集起来，如图6-23（d）所示。

双喷头法利用两个带相反电荷的喷头，如图6-23（e）所示，这种方法的卷绕装置比较复杂。

机械加捻法依靠电动机控制接地的以一定间距垂直放置的铜片收集纳米纤维，如图6-23（f）所示，两个厚度不同且旋转着的铜盘以一定间距垂直放置，铜片分别由两个电极控制且接地。纺丝过程中，纤维在圆盘M1和M2间定向排列，圆盘M1旋转给纱线加捻，圆盘M2同时旋转对已经加捻的纱线进行卷绕收集。这种方法能得到纤维取向度高且具有捻度的纱线。但最大的缺点是持续纺丝时间短，最佳纺丝时间只有2min，且纺丝过程中纤维极易受到除铜盘外的其他金属器件（如电动机的金属外壳等）的影响。

漏斗加捻法是用一个旋转的“漏斗”对收集到的纳米纤维加捻，可制备PLA纳米纤维纱，如图6-23（g）所示，射流以一定的倾斜角度射出飞向接地的漏斗，漏斗的直径为9cm，深度为5.5cm，漏斗的旋转给纳米纤维加捻。

喇叭口加捻法是用两个相反电荷的喷头和高速旋转的喇叭口制备连续的纳米纤维纱，如图6-23（h）所示。这些方法制备的纳米纤维纱连续，且有一定的捻度。