Matter| 靜電紡絲的下一步發展是什麼?

2021-01-20 呂華課題組

大家好，今天給大家分享一篇近期發表在Matter上的文章，題為：What Is Next for Electrospinning? 該文章的通訊作者是來自The Australian National University 的Mike Tebyetekerwa教授和來自National University of Singapore的Seeram Ramakrishna教授。

靜電紡絲（Electrospinning, ES）是一種功能強大、可擴大化的合成技術，能夠生產直徑從納米到微米範圍的聚合物纖維，已被廣泛研究並成功應用了100多年。

21世紀以來，隨著納米技術重要性的日益增加，電紡技術受到了科學界和工程界的極大關注。簡單來說，靜電紡絲是一種通過靜電力將帶電的聚合物熔體拉成纖維的技術。這種技術可對具有適宜粘度的可紡聚合物溶液直接紡絲，也可將其與非可紡材料（如金屬、金屬氧化物或碳顆粒）混合得到複合纖維。通過對收集裝置和噴嘴的重新設計，可以實現改變合成纖維材料的形態、排列、纖維直徑、孔隙率和總產量等。目前，電紡材料已經在生物醫學、能源環境、太空探索、食品、水和農業等領域得到了實際應用，其中不乏許多早已在市場上銷售的商業產品，如智能面罩、細胞培養皿、FERENA過濾裝置、Re-BOSSIS合成骨以及害蟲控制等。

那麼，對於已經得到廣泛研究與應用的靜電紡絲技術，其未來的發展機遇在哪？

圖1. 靜電紡絲作為一種新型高性能材料開發平臺


首先，需要深入研究快加速區纖維的形成過程。電紡期間纖維的形成發生在兩個主要飛行區內，即靠近溶液側的慢加速區（Zone 1）和靠近收集器側的快加速區（Zone 2）（圖 1A）。Zone 1中Taylor錐的形成、電場對靜電射流穩定性的影響，以及射流中溶劑的蒸發等過程的機理已被研究報導，但是Zone 2中纖維的形成過程由於其快加速的特點而難以用現有傳統技術進行研究，因而迄今為止對其動力學僅有預測，無可靠的科學認識。

如果我們能夠清楚地認識Zone 2中纖維的形成過程，就可以控制纖維尺寸、取向、織構、形狀等最為關鍵的特性。電壓、收集器距離和溶液粘度等因素就可以在工業或實驗設置之前輕鬆確定，這可以指導我們更簡便地獲得具有最佳參數和性能的纖維。

另外，要加深對電紡過程中纖維拉伸行為的認識。聚合物納米纖維從噴射源通過高電場區到接收器的過程中會被拉伸，使其處於非平衡狀態。根據聚合物的種類、濃度和紡絲參數，納米纖維將經歷彈性或/和塑性變形。理解和量化這些過程在理論和實驗上都是一個重大的挑戰，但對於控制合成納米纖維的行為及在工程設備和應用中的使用都至關重要。

Zussman課題組曾根據聚氨酯納米纖維和拉伸鑄膜行為的相似性，估計了電紡聚氨酯纖維的拉伸程度，但是這種方法僅適用於類似種類的聚合物。因而，作者提出，可將性能由其應變、應力或電子態行為決定的材料引入電紡液中，例如，將二維單層過渡金屬二羥基化合物（2D TMDs）引入（圖 1B），根據其電子結構和光學性質具有應變依賴的特點，可在納米纖維中進行跟蹤，以預測不同紡絲參數下的應變、應力等特性，並將結果與已知或模擬數據進行比較。如果能夠有效地控制纖維中電紡誘導的應變和電荷狀態，則可以通過有意誘導產生具有各種性能和應用的新材料。

圖2. 納米纖維性質的轉變有望提供具有不同應用範圍的更優材料


通過上述對於纖維形成過程行為的研究，可以解決生產重現性的問題，提高材料的均勻性。考慮到循環經濟和零浪費願景的迫切要求，靜電紡絲需要能夠提供具有高性能、可回收或可重複使用性能的廣泛應用材料。純有機或聚合物纖維可能無法勝任許多應用的要求，但是，通過優化技術進行更好的材料設計至少可以保證上述的大部分性能在單個納米纖維中實現（圖 2），如多金屬聚合物納米纖維。同時，電紡材料也由於其重量輕、柔韌性好、自癒合性好及比表面積高等固有特性而具有優勢。

圖3. 碳熱衝擊合成前後碳納米纖維的SEM圖像


其次，是對電紡纖維應用的探索。目前，對電紡納米纖維的應用主要集中在初生膜上，研究人員也在對其後處理所能開發的新應用進行探索。比如，將納米纖維碳化形成高導電性的碳納米纖維，從而應用在能源和電子領域；通過碳熱衝擊合成，得到具有催化、傳感、供能等性能的多金屬材料；還可以將酶和其他生物物質整合到納米纖維中，從而應用在生物醫學和健康相關的領域。另外，電紡也被用來製備聚合物/塑料之外的材料，如新型碳材料、無機顆粒修飾功能纖維和具有優異功能的多金屬合金等（圖 3）。通過選擇合適的原料、優化紡絲工藝參數、設計紡絲介質，完全可能在未來開發出具有所有需求性能的新型電紡材料，並應用在新的領域中。

儘管電紡製造及其合成材料的研究成果豐碩，但仍有許多工作等待完成。總結來說，作者認為靜電紡絲接下來的研究重心需要放在以下三個方面：（1）更好地理解納米纖維的形成和形成的納米纖維，（2）獲得一類新的納米纖維（金屬纖維和雜化纖維），以及（3）工程化電紡技術以獲得廣泛應用的新材料（通過後處理等）。讓我們期待靜電紡絲的下一個100年！


DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.004Link: https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.004

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