《Frontiers in Sustainability》：Advancements in sustainable textiles: electrospinning through the lens of textile design
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全球纤维市场目前由化石来源合成聚合物主导，而生物基替代品仍严重依赖原生木材。在此背景下，静电纺丝（electrospinning）技术成为制备纤维素基纺织品的可行方案。本文基于涵盖化学、工程与纺织研究的定性文献综述，首先阐述静电纺丝的基本原理及静电纺纳米纤维结
全球纤维市场目前由化石来源合成聚合物主导，而生物基替代品仍严重依赖原生木材。在此背景下，静电纺丝（electrospinning）技术成为制备纤维素基纺织品的可行方案。本文基于涵盖化学、工程与纺织研究的定性文献综述，首先阐述静电纺丝的基本原理及静电纺纳米纤维结构的具体优势，包括高比表面积、可调控形貌以及对生物基与废弃衍生聚合物的适用性。随后，通过区分非织造布、纳米纤维纱线及对织物与纱线的涂层三类主要产物，以“纺织视角”重构静电纺丝技术，并探讨近期工艺创新如何开始应对传统纺织制造中的生产效率与规模化挑战，同时指出其在能耗、溶剂使用及工艺复杂性方面仍存在局限。文中专节聚焦利用农业工业与纺织废弃物生产纤维素纤维的静电纺丝应用，强调废弃物增值的机遇，以及溶剂体系、产率与产品生命周期末端相关的技术与环境约束。在此基础上，论文提出两种探索性的纺织设计导向方法：分层法关注静电纺膜与涂层在不同应用领域中的差异化厚度、材料分层与色彩分层；三维法则研究将静电纺丝直接沉积于预成型导电模具，以制备纹理化、贴合形态的膜材与高附加值部件，从而减少技术服装、鞋类及医疗产品的组装工序。总体而言，本文主张静电纺丝不应被视为本质上“可持续”的技术，而应作为一种潜在的赋能技术，其对可持续纺织创新的贡献取决于明确的跨学科协作。在此视角下，纺织设计师、化学家与工程师必须共同开发更环保的配方、更高效的装置及嵌入全生命周期思维的工艺流程，使设计师从给定技术的终端使用者转变为定义研发目标、应用场景与实验方案的积极参与者。
1 引言
当代纺织行业的全球纤维市场呈现显著特征：66%为源自不可再生化石燃料的合成纤维（以聚酯为主），27%为棉花，仅6%为源于纤维素化学转化的再生纤维——而纤维素是地球上储量最丰富的天然聚合物。纤维素基纤维与纺织品可作为化石聚合物的有效替代，但目前天然纤维素的需求已超过供给。尽管纤维素被视为可再生资源，其主源仍为原生木材，需求增长可能导致森林砍伐加剧及相关生态后果。因此，若要作为化石聚合物的可持续替代，纤维素需从不会额外占用土地与自然资源的来源中提取，农业工业废弃物与农业生产副产物成为可行选择。
纤维素的提取与衍生过程面临诸多挑战，主要源于其自身的化学结构。传统应用充分利用了纤维素分子结构赋予的独特性能，如柔韧性、高力学性能与良好的湿气管理能力，但下一代纤维素基产品的部分需求无法通过传统材料与工艺实现。为此，大量研究聚焦于生产纳米级纤维素，以期在制药、包装、化妆品、电子、食品、汽车、航空航天及建筑等领域获得新型材料的潜力。
在纤维素纤维生产中，最具前景的方法之一是静电纺丝——一种利用高压电场从液态聚合物流体（溶液、乳液或熔体）中制备纤维的静电纺丝工艺。该技术基本原理虽在一个多世纪前已确立，但直至近几十年才实质性复兴：20世纪30年代的早期装置受技术限制未能进一步发展，60年代该技术重新出现，但其机理阐明与理论体系主要在90年代由Reneker等人奠定，其关于纳米材料制备能力与有机纳米纤维价值的论证成为领域转折点，揭示了其广泛应用的潜力。
与传统湿法纺丝等常见化学纤维制造工艺相比，静电纺丝主要用于生产纳米纤维膜，其性能是其他常规纤维制造技术无法实现的。静电纺垫的纤维直径通常在10 nm至10 μm之间，与传统非织造布及机织物相比重量极轻；其比表面积（m2/g）与比表面积体积比（m-1）可达微纤维的103倍。通过调控静电纺丝参数可获得均质膜材，结构完整性可通过扫描电子显微镜（SEM）观察，也可通过纤维直径变异系数（CV%，数值越低均匀性越高）、珠粒密度及纤维直径分布定量表征。
高且可调的孔隙率是静电纺膜的又一关键特性，尤其适用于过滤领域——传统非织造布难以捕获亚微米级颗粒，而静电纺垫通常具有超过80%或90%的互联网络孔隙率，在保持高透气性的同时实现高效过滤，其总孔隙率（%）、平均孔径（μm或nm）及孔体积（cm3/g）可用于量化该性能。此外，静电纺纳米纤维垫的力学性能优于微纤维对应物，这源于工艺固有的独特结构有序性、分子取向及高比表面积体积比，还可通过热拉伸等二次处理进一步强化，具体取决于应用需求。
与其他纳米/微纤维制备技术（如拉伸法、相分离法、模板合成法）相比，静电纺丝可生成核壳结构、中空结构、多通道结构、螺旋结构及多孔纤维等复杂形貌，还可通过调整装置参数与纤维沉积控制实现宏观尺度的膜材形貌调控，因此对纤维形貌、尺寸、孔隙率及整体纳米纤维膜密度的控制更具灵活性，使其在过滤、生物医学器件、储能等领域广受关注。在纺织领域，静电纺丝的性能不仅因功能提升被讨论，其与可持续性（尤其是应用于生物基或废弃衍生聚合物时）的关联也日益受到重视，且随着技术迭代，其在大规模生产中的增长潜力逐步显现。
尽管目前纤维素静电纺丝尝试仍涉及环境负荷较高的化学工艺，但该方法的改进有望实现基于回收纺织品与植物废弃物的可持续纤维素基纤维生产。近年来，天然聚合物的静电纺丝作为化石衍生聚合物的更绿色、低影响替代方案作用日益凸显，研究显示其在利用工业与纺织废弃物回收聚合物及包括纤维素在内的可生物降解聚合物方面具有可行性，结合所制膜材的轻质特性，该技术成为从废弃物获取纺织品的潜在高效方法。然而，生命周期评估（LCA）分析表明，纺丝参数会显著影响该技术的环境影响，高电压与低聚合物浓度可能导致更高的全球变暖潜势（GWP）。
静电纺丝仍面临诸多挑战与局限：尽管原理看似简单，但其实际是多化学、工艺与技术参数耦合的复杂过程，目前尚不具备大规模生产（尤其是低附加值材料）的竞争力，但在创新材料开发或现有材料性能提升方面具有重要价值。利用更绿色来源与工艺制备静电纺纤维、纱线及纺织品，需要融合绿色化学、工艺工程与纺织设计的交叉学科解决方案。在此过程中，纺织设计师需在化学专家与纺织工程师的支持下，充分理解该技术的特性、机遇与局限，才能将其作为潜在可持续纺织工艺整合到设计实践中。
2 方法论
本文采用定性非系统性叙述性文献综述方法。通过专著与专著章节建立对静电纺丝技术的整体认知，随后以Scopus为检索数据库，组合使用“electrospinning”“electrospun”与不同关键词集开展多轮检索：针对纤维素与农业工业废弃物主题，使用“cellulose”“nanocellulose”“agricultural waste”“agro-industrial”等关键词；针对纺织相关主题，使用“mat”“membrane”“nonwoven”“yarn”“continuous fiber/fibre”“coat”“cloth”“apparel”“textile”“fabric”等关键词。为保证相关性，检索时间限定为近二十年（排除2005年以前的文献），筛选标准为与主题范围的一致性、明确提及静电纺丝，以及隐含或明确涉及纺织设计。尽管分析文献主要来自材料工程、化学等领域，但本综述从技术考量与现有机遇局限分析出发，以纺织设计为导向展开研究，并据此提出两种基于该技术的创意实验路径。
3 纺织视角下的静电纺丝
尽管静电纺丝常被视为纤维制备的直接纺丝方法，但需明确其可输出的产物类型。当前静电纺丝已不再局限于纳米纤维垫生产（虽仍是主流），近期实验已拓展出新型产品类别。本节通过聚焦非织造布、纳米纤维纱线及对织物与纱线的涂层三类特定输出类型，以“纺织视角”重审该技术，概述各类产物的核心特征与局限，并探讨其在纤维素纤维生产中的可行性。
3.1 非织造布
静电纺丝最传统的应用是直接沉积纳米级纤维至收集装置，制备性能可调的非织造膜材。传统静电纺丝装置由高压电源、注射泵（以恒定可控速率输送聚合物溶液或熔体，末端连接正极）、收集器（连接负极）组成：聚合物溶液液滴在静电场作用下变形为“泰勒锥（Taylor cone）”，尖端喷射出细射流，经鞭动或不稳定弯曲运动拉伸，伴随溶剂快速挥发，最终固化形成“纤维云”（又称“羽流”）沉积于收集器。收集器可为平板（随机沉积）或旋转滚筒（赋予纤维取向）。
静电纺丝过程主要受三类参数调控：溶液性质（浓度、黏度、分子量、电导率、表面张力、溶剂选择）影响射流稳定性与纤维成形，决定表面光滑度与均匀性；工艺条件（施加电压、流速、针头-收集器距离、收集器设计）控制纤维的拉伸、干燥与排列；环境因素（温度、湿度）进一步改变黏度、溶剂蒸发与表面纹理。精细调控这些相互关联的参数可实现对纳米纤维特征的精准控制。实验室尺度下，静电纺丝的注射速率通常为0.1–1.0 mL/h，极低的生产效率是其大规模工业生产的主要障碍。
为突破该局限，研究开发了多针头系统与无针系统：多针头系统通过一维或二维排列多个喷嘴同时喷射溶液，提升生产效率并支持同步制备不同性能的纳米纤维，但存在不同静电场相互干扰、针头易堵塞等问题，限制了广泛应用；无针系统被认为是最有效的规模化方案，通过旋转部件持续向表面供应溶液，形成多个聚合物液滴并启动射流，实现连续不间断过程，部分系统还利用磁力、高压气流、重力等外力替代泰勒锥启动射流，避免了针头系统的堵塞问题，但通常需要更高电压，导致能耗增加，可能提升工艺整体环境影响。
3.2 纳米纤维纱线（NYs）
从纺织设计角度看，传统静电纺丝装置及其变体仅能产出非织造垫，限制了应用场景与纺织工艺的结合。近年技术发展通过重构装置实现了纳米纤维纱线（NYs）的制备，主要包括四类路径：一是改良传统装置，将纤维沉积于液体浴中，通过机械辊或导杆牵引，利用液体表面张力将排列的纤维聚集成束，再缠绕于卷绕装置，液体浴可选用水或含其他材料的水分散液以赋予纱线新功能（如在浴中添加多壁碳纳米管制备导电NYs）；二是共轭纺丝装置，使用两个带相反电荷的喷头同时喷射聚合物溶液，射流因异种电荷吸引部分抵消传统装置的混沌鞭动，最成熟的构型中，射流在旋转金属漏斗中形成非织造锥，同时通过绝缘杆牵引，电荷中和后的纤维更易聚集成稳定的“纺丝三角锥”，漏斗旋转辅助纤维束加捻，最终由卷绕器收集，该构型可翻倍材料通量，多射流变体也被探索以提升产率；三是交流（AC）无针无收集器静电纺丝，通过每10 ms快速切换极性，使发射的纳米纤维带交替电荷并在空中相互吸引，形成“虚拟对电极”消除对物理活性收集器的需求，纤维自身重组为紧凑的烟状气凝胶“羽流”，可被电动工具上的圆形刷扭转制成连续纳米纤维纱线；四是通过切割静电纺垫成条带，再经加捻制成单股纱线，进一步合股为多股纱线。
研究证实静电纺NYs可在传统纺织工艺中使用，但单独使用时存在诸多挑战：通过热退火与拉伸可提升NYs拉伸强度；与更稳定的纱线复合后可用于机织与针织（单独使用时易粘附机器金属部件导致高断裂率，仅四组NYs合股后可成功用于编织）；切割静电纺垫成条带并加捻、合股后也可实现机织加工。目前NYs制备仍处于实验阶段，需进一步优化以实现工业级规模化复制，现有探索多限于合成聚合物，医学与组织工程领域最具应用前景。
3.3 对织物与纱线的涂层
另一研究方向是将静电纺纤维作为现有织物与纱线的涂层，更易整合到当前纺织制造体系中。静电纺纤维可直接沉积于纺织基底替代传统复合织物的功能层（通常通过层压不同纺织品制备），有望减少制造工序。研究人员结合静电纺（沉积纤维）与静电喷涂（沉积液滴/颗粒）技术，对多种纺织品进行涂层改性，赋予其导电性或抗菌性。例如，将炭黑纳米颗粒掺入醋酸纤维素溶液，静电纺于丝光棉机织物上，在保持织物柔性、轻质与悬垂性的同时赋予导电性能。涂层不仅可应用于二维织物，还可沿纱线表面沉积，后续通过传统机织、针织、编织工艺加工：如在镀镍棉纱表面静电纺聚氨酯/石墨烯涂层，形成以镀镍棉纱为导电电极、纳米纤维涂层为介电层的包芯纱；利用AC无针无收集器静电纺丝产生的气凝胶状纳米纤维羽流，可直接缠绕于常规纱线表面形成涂层，该涂层纱线可成功在18针针织机上织成单面纬编针织布。
3.4 用于纤维素纤维生产的静电纺丝
前述案例展示了静电纺丝产物可重构为非织造布、纱线或涂层，为纺织整合提供了多元路径。除形态与结构外，静电纺丝的可持续潜力还高度依赖所用聚合物的来源与加工方式。本节聚焦用于纤维素纤维生产的静电纺丝，特别关注源自农业工业残渣与纺织废弃物的纤维素。
研究人员日益关注利用水稻秸秆、甘蔗渣、玉米芯、果皮等农业残渣提取纤维素及其他生物聚合物用于纳米纤维制备。农业废弃物主要由纤维素、半纤维素与木质素组成，纤维素的分层结构（结晶区与非晶区交替）赋予其可生物降解、生物相容与可再生的独特性能组合。部分研究将农业废弃物（如甘蔗渣）转化为功能填料，掺入醋酸纤维素（CA）或聚乳酸（PLA）等市售生物基聚合物的静电纺膜中；更多研究则直接将废弃物提取的纤维素作为（或转化为）静电纺膜的主要基体材料。
静电纺丝纤维素的核心挑战在于其分子间与分子内强氢键作用导致其在常规有机溶剂中溶解度极低。离子液体（ILs）因热稳定性与化学稳定性及可回收潜力，作为溶解纯纤维素的“绿色”溶剂体系受到广泛关注，但其整体环境影响仍需充分评估。另一广泛采用的策略是将纤维素转化为更易溶的衍生物，如醋酸纤维素（CA）、羧甲基纤维素（CMC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC），其中CA因可溶于丙酮、乙酸等相对温和的溶剂，加工路径更易实现。
目前，静电纺纤维素及纤维素衍生物几乎仅以非织造垫形式应用，广泛用于水过滤与污染物吸附——高比表面积与可调孔隙率使其可去除重金属、有机染料与微生物污染物，多种秸秆类废弃物已被探索作为该应用的纤维素来源。例如，水稻秸秆来源的CA非织造膜可用于CO2捕获与水处理中的染料去除；甘蔗渣来源的纯纤维素非织造膜可作为药物合成的绿色纳米催化剂；马铃薯茎来源的CMC非织造膜可增强马铃薯淀粉膜的拉伸性能；水稻秸秆来源的CA非织造膜可作为前体制备柔性多孔三维生物炭；水稻秸秆来源的纯纤维素通过无针静电纺丝制备的多孔坚固膜可用于空气过滤。
除农业工业废弃物外，消费后纺织品也是潜在的纤维素原料来源：废弃纤维素纤维可转化为CA等衍生物，再静电纺成纳米纤维用于水修复、生物医学产品与智能纺织品等高性能场景，但该升级循环策略仍面临静电纺丝产率低、需更高效自动化分拣系统保障原料纯度等工业化障碍。相比之下，利用废弃物来源的纤维素或其他生物源聚合物制备连续纳米纤维纱线（NYs）的案例极为罕见，多数NYs研究仍依赖聚丙烯腈（PAN）、聚己内酯（PCL）、尼龙等合成聚合物，其流变与力学性能更利于纱线制备与常规纺织工艺整合，未来需在成熟NYs静电纺丝装置中对比合成聚合物与生物基聚合物的工艺 scalable 性与性能权衡。基于废弃物来源纤维素聚合物的纺织涂层研究同样稀缺，尽管包装领域常将静电纺膜用作复合结构的功能中间层（可视为薄涂层而非独立非织造布）。电子纺织领域的少数案例显示，纤维素基静电纺膜可作为涂层使用，但需聚氨酯（PU）中间层与后续热处理以确保足够的粘附力与耐久性，还需进一步评估其在不同纺织材料上的涂层可行性。
总体而言，当前废弃物来源与生物基聚合物的研究仍集中于非织造膜，纱线与涂层的探索极少，且对耐久性、规模化与生命周期末端的关注不足。这种失衡凸显了以设计为导向的研究需求——将静电纺丝不仅视为材料或工艺问题，更视为纺织结构与产品层面的议题。
4 纺织设计路径
基于上述分析，本节提出两种探索性路径，明确以纺织结构与产品场景为静电纺丝实验的起点。静电纺丝作为纤维制造技术具有巨大的实验潜力与未来发展空间，但当前研究者多来自化学与工程领域，普遍采用工艺驱动或材料驱动的视角：工艺驱动路径聚焦通过装置改造提升生产效率、规模化或灵活性；材料驱动路径则侧重获得特定材料性能或探索已知材料的新纺织工艺应用，例如导电纳米纤维涂层可在不牺牲柔性、透气性等舒适性能的前提下赋予织物导电性，避免了传统金属硬线或导电涂层的缺陷。两类路径常被结合使用，但区分二者可作为分析透镜，指导未来发展方向。
尽管静电纺丝需以材料科学与化学知识为基础，但本研究主张转向一种新视角：通过纺织设计实践的引导，将工艺驱动与材料驱动路径更有机地跨学科整合。据此提出两种供纺织设计师参与的静电纺丝实验路径，并推测其潜在应用领域。
4.1 分层法
在纳米纤维非织造膜与涂层领域，分层法的核心是关注非织造垫的厚度变化，研究纺丝过程中注射泵或喷头的平移运动。现代静电纺丝机的单注射泵或多喷头系统通常可实现沿X、Y轴平行于收集板的电机驱动平移；部分数控（CNC）可编程静电纺丝装置（尤其是熔体静电纺丝书写（MEW）与近场静电纺丝（NFES）领域）可通过软件控制喷头或收集器的移动，制备精确图案化的层与可变厚度。近场静电纺丝（NFES）通过大幅缩短针头与收集器的距离抑制射流的混沌鞭动，使射流可像打印头一样受控，实现高度排列的复杂微结构的“直接书写”，这类装置常利用软件控制的X-Y移动平台或可平移喷头，按预设图案沉积直纤维。但此类增材制造方法能否应用于溶液静电纺丝（尤其是纤维素聚合物）尚不明确，因为溶液静电纺丝的射流与纤维沉积具有固有随机性，且射流间的电荷排斥作用极大限制了可获得的纤维层数。
尽管如此，即使不具备完全“书写”能力，可编程轴运动仍可通过控制宏观喷嘴横向移动速度，确保大面积均匀纳米纤维垫的生产。而均匀性通常是被严格监控的目标，反过来也可通过调整进料速率、轴平移速度与特定区域的沉积时间，制备具有非均匀分布的非织造垫。计算机控制的平移还可使收集器沿径向移动以避免纤维重叠，从而制备厚度与力学性能各异的结构。
该方法在三个场景中具有潜力：一是差异化厚度聚焦，在功能性纺织品开发中，设计沉积纳米纤维层的不同厚度区域，可实现防护能力、传感功能等性能的局部优化，也可从设计角度实现更有针对性的美学提升。例如，在防护服、运动服与鞋类等产品中，局部差异化厚度可在需要时提供优化的隔热、抗紫外线或化学/生物制剂屏障，同时保持其余区域的典型静电纺透气多孔结构；但全尺寸服装的连续厚度变化需要极长的纺丝时间或复杂的喷嘴运动控制，可能进一步加剧实验室尺度静电纺丝的低产率问题，因此该路径更适合将高附加值的高度功能化组件整合到现有制造工艺中，而非替代现有工艺。二是材料分层聚焦，通过多阶段或后续沉积不同材料的纳米纤维，或调配含不同组分的前驱体溶液，可制备多功能非织造膜与涂层。例如，电子皮肤与传感器领域可通过调控静电纺涂层的厚度（作为电容式传感器单元的纳米纤维介电层），优化器件灵敏度与响应性（依赖于压缩变形引起的电极距离与体积变化）；但多材料体系也引发耐久性与可修复性问题：反复弯曲、洗涤或磨损可能导致力学性能不匹配的层间剥离，且生物基聚合物与导电填料、金属涂层或不可生物降解基底复合时，会显著增加回收与生命周期末端的复杂性。三是色彩分层聚焦（理论性纺织设计展望），静电纺丝使用的聚合物溶液或熔体可在纺丝前通过添加化学或天然染料预着色，因此从理论上可通过多阶段纺丝使用不同颜色的聚合物溶液，结合流速、时间与喷嘴/收集器平移编程，获得类似“混色纺纱”的效果——混色纺纱通过将预先染成不同颜色的纤维混合纺纱，得到非单一实色、带有条纹混合效果的纱线，广泛应用于棉、羊毛、羊绒等天然纤维加工以减少染色浴数量与配色工作量；推测色彩分层可得到类似的色彩混合效果，为时尚与室内设计等领域的美学探索与潜在整合提供可能，尽管该解读尚未见文献报道，且技术
