综述：从过去到现在的静电纺丝技术与静电纺丝材料

《Advanced Fiber Materials》：Electrospinning Technology and Electrospun Materials from Past to Present

　　

静电纺丝已从基础科学现象发展为一种多功能且具有变革性的纳米纤维制造平台技术。尽管其历史悠久，但该领域的近期发展十分迅速。该技术能够有效调控纤维直径、组成和结构，在先进研究和工业应用中展现出广阔前景。本综述全面考察了静电纺丝技术与静电纺丝材料的进展，重点关注技术本身从实验室规模到工业规模系统的演进，以及材料结构设计与工业应用。单针头—多针头—无针头的技术演进构成了静电纺丝技术的主流发展趋势，并辅以针对特定应用的重要创新。这些系统均基于相同的静电纺丝基本原理，这也是本综述的出发点。讨论进一步延伸至静电纺丝材料在多维尺度上的结构设计，涵盖一维（1D）纳米纤维、二维（2D）膜到三维（3D）块体材料。这些多级结构支撑了静电纺丝纳米材料开创性的多功能性，使其能够成功应用于过滤与分离、热湿管理纺织品、储能与收集器件、航空航天以及生物医学与传感领域。最后，研究人员重点指出了当前的挑战与未来展望，旨在拓展应用前沿、增强机械耐久性、实现可持续和规模化制造，并与智能系统集成。本综述有望成为迄今为止静电纺丝技术进展的全面参考。

静电纺丝技术已从实验室现象发展为纳米纤维制备的核心平台。本综述首先从纤维材料的历史切入，指出纤维直径细化始终是纤维科学的重要研究方向，而静电纺丝凭借原料范围广、技术可扩展性强和成本低等优势，成为最具前景的纳米纤维规模化制备方法。引言部分系统回顾了静电纺丝的发展历程：1745年Bose首次观察到流体静电现象，1882年Rayleigh通过理论分析确定了射流形成的临界条件，1934年Formhals正式提出“静电纺丝”概念并申请专利，1960年Taylor揭示了Taylor锥的形成机制，1990年Reneker等人的综述引发广泛关注。进入二十一世纪后，静电纺丝技术进入快速发展期，多针头、无针头及便携式等新型系统相继涌现，3D陶瓷纳米纤维海绵等突破性成果也相继问世。

在基本原理部分，静电纺丝的核心机制在于高压电场克服溶液表面张力，使Taylor锥顶端喷射出带电射流，射流经拉伸、溶剂蒸发后固化为纳米纤维。该过程受溶液性质、工艺参数和环境条件的共同调控。聚合物分子量和浓度决定了链缠结程度，低浓度易形成串珠纤维，而提高电导率可增强射流拉伸效果从而细化纤维。电压、接收距离、温度和湿度等参数同样关键，例如相对湿度较高时，聚苯乙烯（PS）射流发生快速相分离，可形成3D纤维海绵结构。通过多参数协同调控，可实现不同形态纳米纤维的可控制备。

静电纺丝技术的演进呈现从单针头到多针头再到无针头的清晰脉络。基于针头的系统中，多针头静电纺丝通过线性、矩阵或环形阵列实现产量提升，但电场干扰和针头堵塞仍是主要限制。共纺技术利用同轴、三轴及多流体喷头，可一步制备核壳、中空及多通道结构纳米纤维，但产率较低。连续纱线静电纺丝通过机械扭转、流体扭转或膜扭转等方式，将纳米纤维组装为连续纱线，已实现高强聚丙烯腈（PAN）纱线和柔性SiO₂纱线的制备。便携式静电纺丝装置采用电池或自供电系统实现原位敷设，适用于伤口敷料等场景，但电池寿命和流速控制精度有待改进。无针头静电纺丝方面，动态旋转式喷头包括滚筒、球、盘、线圈等构型，其中Elmarco公司的Nanospider已实现工业化生产；静态无针头系统则利用磁场、气泡、锥形线圈、缝隙、棱锥、环形及多孔等结构产生多射流，显著提高了纳米纤维产量，但纤维直径和均匀性的精确控制仍是挑战。

静电纺丝材料的结构设计涵盖三个维度。在一维（1D）尺度上，通过调节溶液性质和工艺参数可制备圆柱形、串珠状、带状、多孔、核壳、中空、纳米球突起、皱褶和螺旋等多种形貌的纳米纤维。在二维（2D）尺度上，纳米纤维膜可分为随机取向膜、取向排列膜、图案化膜和纳米网膜。随机取向膜是有机、陶瓷等各类纳米纤维膜的基础形态；取向膜通过高速旋转收集器、磁场辅助或近场静电纺丝实现纤维定向排列；图案化膜利用电极定位、图案模板和纤维直写方法构建有序结构；纳米网膜具有亚50 nm的超细纤维直径，可通过电纺丝/网、直接电喷网和非溶剂诱导相分离等方法制备。在三维（3D）尺度上，冷冻干燥法通过分散、冻干和交联将2D纤维膜转化为超轻气凝胶，已制备出有机、陶瓷和碳气凝胶；层层堆叠法通过逐层组装实现层状多拱结构，赋予气凝胶高强度和抗疲劳性；直接静电纺丝法则通过调控射流相分离和电荷密度，一步构建具有卷曲纤维网络的3D纤维海绵。

在工业应用方面，静电纺丝材料在过滤与分离领域最为成熟。空气过滤中，纳米网膜对PM_0.3的去除效率可达99.995%，且压降极低；防水透气膜通过纳米球突起结构和疏水改性，耐水压达83.4 kPa；油水分离膜结合超浸润表面和3D气凝胶结构，分离效率达99.93%。在热湿管理纺织品领域，定向导湿膜可实现快速排汗，辐射冷却膜反射率高达96.3%，超轻保暖材料热导率可低至0.014 W·m^-1·K^-1。能源存储与收集方面，静电纺丝制备的复合固态电解质（CSE）使全固态锂金属电池实现1000次稳定循环；摩擦纳米发电机（TENG）输出电压达681 V；中空聚偏氟乙烯（PVDF）纤维显著提升压电性能。航空航天领域主要利用陶瓷气凝胶的极端温度稳定性（-196至1400 °C）和高机械强度（拉伸强度170.38 MPa）进行热防护。生物医学与传感领域，取向纳米纤维支架引导组织再生，多功能敷料促进伤口愈合，可穿戴传感器灵敏度达548.09 kPa^-1，可实现脉搏监测和语音识别。

总体而言，静电纺丝材料已从实验室走向多领域工业应用，未来研究方向包括机械增强、大规模生产、纳米纤维纱线的可扩展制造以及新应用领域拓展。