通过静电纺丝制备纳米纤维材料

制造纳米纤维最广泛和研究方法是静电纺丝（ES），因为它具有较高的效率，适应性和成本效益。

纳米纤维材料主要是指具有纳米级横截面直径（1-100nm）的纤维结构，主要由聚合物制成。与传统的纤维结构相比，它们重量轻，具有非常高的表面积与体积比。它们形成高度多孔和互连的网格的能力使它们成为广泛应用的广泛研究的焦点。这些研究的核心是他们的制造方法，这包括绘图、相分离和模板合成。

有了足够的电压和电场强度，针尖泰勒锥自由表面上的感应电荷（称为喷丝头）可以克服表面张力。然后从锥体的顶点启动带电的射流并推向接地的收集器，在此期间，快速的溶剂蒸发导致干燥纳米纤维的沉积和无纺布垫的产生。

所得纳米纤维的形态由溶液特性（粘弹性，表面张力，溶剂挥发性，导电性），环境条件（湿度，温度）和工艺参数（施加电压，针收集器距离，流速）控制。

通过对所有这些参数的仔细控制，该方法已在医疗保健和生物医学工程，水处理和环境修复以及能源生产和存储等各个领域得到了应用。例如，在生物医学领域，静电纺丝可生物降解纳米纤维可以模仿天然细胞外基质，并为周围细胞提供适当的机械支持，地形引导和生化指令，从而充当支架材料以促进组织再生。

尽管传统ES在许多领域广受欢迎并成功应用，但该方法仍然存在局限性。其中包括难以创建具有所需纤维对准和取向的高度调节结构，由于溶液凝胶化导致针头堵塞，以及关键的是工艺吞吐量低（<0.1 g / h）。但迄今为止，只是单独纠正了这些限制。例如，多针方法提高了通量（<3.6 g / h），但由于针的电场干扰，仍然遭受针头堵塞并在纳米纤维毡中引入显着的不均匀性。

无针静电纺丝（NLES）利用外力（通过磁场，超声波或高压气流）直接在聚合物溶液的自由表面上提示尖峰形成，这反过来又在电场下启动ES过程。这大大提高了通量并消除了针头堵塞，但需要很大的电压，并且由于该过程的多变量性质以及尖峰和泰勒锥体的不可预测的位置，导致纳米纤维形态不一致。

ES方法的变体，该方法将NLES的高通量与传统方法的更大纤维控制相结合。通过使用带有蘑菇形PTFE盖的金属碗形底座，围绕喷丝头的中心形成轴对称电场，峰值强度位于碗的边缘。这导致泰勒锥体沿边缘等距形成，从而在没有电场干扰的情况下具有多针ES射流的可预测性。此外，将电场集中在所需位置有助于比等效的NLES设备更低的施加电压，同时保持特征性的高通量（13.7 g / h）。

这种新方法的实际意义在需要高通量和高质量纳米纤维制造的应用中最为显着，这些应用目前位于医疗保健和生物医学领域。Partheniadis等人（2020）特别强调了这两种制造特性的不相容性，这阻碍了纳米纤维在该领域的广泛商业化。

该方法还可以将纳米纤维引入开发新领域，例如为培养肉提供可食用的基质支架，以结合并赋予其额外的风味和质地，这种应用以前由于纳米纤维制造缩放问题而被排除在外。

但是，该方法仍然存在局限性。尽管纳米纤维结构具有高均匀性，但纤维的排列和取向仍然是相对不可控的特性。此外，从自由表面蒸发高挥发性溶剂会改变制造过程中聚合物溶液的浓度，并可能导致工艺精度和再现性降低。