静电纺丝法制备纳米复合纤维研究进展

近年来，随着科技的迅猛进步，各行业对高性能材料的需求呈现出持续不断的增长态势。在这样的大背景下，如何巧妙地运用静电纺丝技术，充分挖掘其潜力，开发出具备更优异性能和多样化功能的复合纤维材料，已然成为材料科学领域备受瞩目的研究热点。这不仅是满足行业发展需求的关键所在，更是推动材料科学向更高水平迈进的重要驱动力。

本研究聚焦于通过静电纺丝技术制备多种新型复合纤维材料，深入探讨其制备工艺、性能特点以及实际应用场景，旨在为复合纤维材料领域的进一步发展提供有价值的参考和借鉴，推动该领域在材料科学与工程领域的不断创新与进步。

1 通过静电纺丝制备超吸水纳米纤维材料的研究进展

Gu 等人制备的PAA - AM/PVA水溶性聚合物不仅展现出良好的可纺性，而且经热处理后的PAA - AM/PVA超吸水纳米纤维膜具备了出色的吸湿性能，其吸湿性能远远优于棉纤维。Ding则通过深入研究纺丝电压、喷孔直径及固化距离对纤维材料形貌和纤维直径的影响，以及热交联温度和热交联时间对静电纺吸水纤维吸水倍率的影响，发现经过 130 ℃处理10 min后，其吸水倍率可达到最高值 262 g/g。通过静电纺丝制备的超吸水纳米纤维材料在医疗用品及防护品、药物稀释剂、油水分离、离子提纯剂以及分离提纯等多个领域均展现出巨大的应用潜力。这些研究成果不仅丰富了超吸水纳米纤维材料的制备技术，也为其在更多领域的实际应用奠定了坚实基础，有望进一步推动相关领域的发展与创新。

2 通过静电纺丝制备不同形态结构纳米纤维的研究进展

纳米纤维的结构堪称其性能表现与应用拓展的核心要素，对材料的整体行为起着决定性的关键作用。在静电纺丝过程中，诸如溶剂的种类差异、工艺参数的精细调控以及添加物的运用等诸多因素，均能够深刻地影响纳米纤维的形态结构，进而赋予材料丰富多样且各异的物理化学特性。Yu以聚苯乙烯为原料成功制备了平均直径分别为250 nm和 500 nm的两种串珠纳米纤维复合材料，并针对其进行了容尘阻力测试。研究发现，纤维平均直径为250 nm的串珠纤维复合滤材在经过去静电处理后加载 ISO12103-1A1 超细灰时，展现出卓越的过滤性能，达到终止阻力所需时间最长，长达7520 s，相较于相同直径范围的纳米纤维复合滤材多出1522 s，这一显著优势使得该材料在滤材过滤领域脱颖而出，展现出广阔的应用前景。Zhen等人则选取聚乳酸（PLA）作为原料，通过分别采用三种不同的溶剂精心制备纺丝液，并运用静电纺丝法成功制备出聚乳酸纳米纤维。在研究过程中，深入探讨了溶剂、电压、溶液质量分数等因素对纤维形貌和直径的影响机制。研究结果明确指出，溶剂的选择是决定PLA 超细纤维形成的关键所在，其中三氯甲烷（CHCl₃）与二甲基甲酰胺（DMF）以体积比为 9:1 混合而成的溶剂被证实为PLA静电纺丝的理想之选。在PLA 质量分数设定为 6%、极距维持在15 cm、电压调控至25 kV 以及流量控制在2.5 mL/h的优化工艺条件下，能够制备出直径约为1200 nm 的PLA 纤维，为聚乳酸纳米纤维的精准制备提供了重要的工艺参数依据。Yuan 等人选用丙酮作为溶剂，凭借静电纺丝法开展了聚丙交酯（PLA）及其与己内酯共聚物（PLLA - CL）超细纤维的制备研究。

3 通过静电纺丝制备优秀压电性能纳米纤维材料的进展

压电材料在传感器、能量收集器等众多领域具有重要应用价值，而纳米纤维结构能够为压电材料带来独特的性能优势。通过静电纺丝技术制备具有优秀压电性能的纳米纤维材料已成为当前研究的热点方向之一。例如，聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物聚乙烯六氟丙烯（PVDF - HFP）因其分子结构中蕴含的强电负性氟原子，具备显著的压电性能潜力，成为研究的重点关注对象。Ponnamma 等人将具有特定纳米结构的半导体金属氧化物 TiO₂（纳米管形态）和 ZnO（纳米花形态）引入到 PVDF 及其共聚物体系中，通过溶剂混合的方法实现了纳米材料在聚合物介质中的均匀分散和精准嵌入，为后续材料性能的优化奠定了坚实基础。这种复合体系的设计不仅充分发挥了各组分的优势，还通过协同效应显著提升了材料的压电性能。后处理条件的调控同样对压电纳米纤维材料的性能提升起着至关重要的作用。适当的热处理、极化处理以及拉伸工艺等后处理手段能够进一步优化纤维的晶体结构，促进压电相的形成和生长，调整偶极子的取向排列，从而显著增强材料的压电性能。Wang 通过静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯（PVDF）基压电聚合物纳米纤维，系统地探讨了静电纺丝工艺参数、后处理工艺以及掺杂和拉伸工艺对纳米纤维性能的影响规律。通过精心设计后处理工艺，成功制备出具有良好压电性能的柔性自驱动器件，并深入研究了其在伤口愈合、骨组织工程以及可穿戴压力传感器等前沿领域的应用潜力。Fan 等人则以静电纺丝技术为核心的材料制备方案，深入开展对比研究。他们通过介电泳定向技术对基于BCTZ的柔性压电纳米发电机进行处理，发现无序的BCTZ纳米短棒在 PDMS 中能够沿电场线实现一致取向排列，使得纳米发电机的开路电压和短路电流分别显著提升至2.2 V和 90 nA。同时，利用平行铁丝电极收集的 BCTZ 纳米纤维具有良好的一致取向性，由此制备的纳米发电机在规律性弯折作用下，输出的最大开路电压达到3 V，短路电流高达110 nA。这些实验数据清晰地表明，介电泳和平行电极技术能够有效地提高纳米纤维的取向性，进而大幅度改善其压电性能。这一系列研究成果充分证明了无铅BCTZ压电陶瓷材料在生物力学能量采集等领域具有广阔的应用前景，为未来压电材料的发展提供了重要的理论依据和实践指导。

4 通过静电纺丝制备纳米纤维柔性材料的进展

            Yuan等人开展了一项具有创新性的研究，他们将纤维素溶解于新型离子液体复合溶剂之中，成功构建出低黏度且具备长期稳定性的纺丝液。随后，采用在室温条件下进行的静电纺丝法，并结合预凝固过程，制备出了再生纤维素基电纺纳米纤维。为了进一步提升材料性能，他们通过与导电材料聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩） - 聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）进行复合，实现了纳米自组装过程，最终获得了柔性表皮电极。研究结果表明，所制备的纤维素电纺纳米纤维柔性表皮电极展现出一系列优异的特性。其具有排列有序的网状结构以及丰富多样的孔道结构，这种独特的微观结构赋予了材料良好的透气性和柔韧性。同时，材料呈现出纤维素 Ⅱ 晶型结构，这为其提供了稳定的物理化学性能基础。在性能优化方面，当PEDOT:PSS体积分数达到20%时，电极的拉伸性能和黏附性达到最优状态，此时应变为9.8%，杨氏模量为0.04 MPa，并且对玻璃和猪皮展现出较高的黏合力，分别为17.8 N/m和14.7 N/m。这些优异的力学性能和黏附性能使得该电极在实际应用中能够更好地贴合不同基底表面，确保信号传输的稳定性和可靠性。尤为重要的是，该电极在10_⁻² - 10⁵ Hz的宽频率范围内表现出低电极 - 皮肤电接触阻抗，这一特性使得能够高效地采集和传输生物电信号，从而能够产生高质量的肌电和心电信号，为生物医学监测领域提供了一种极具潜力的新型柔性电极材料。这一研究成果不仅为纳米纤维柔性材料的制备和性能优化提供了新的思路和方法，也为其在生物医学工程等领域的实际应用奠定了坚实的基础，推动了柔性材料技术的进一步发展。

5 通过静电纺丝制备纳米纤维吸波材料的进展

  随着现代电子设备在各个领域的广泛普及应用，以及电磁环境愈发呈现出复杂多变的态势，电磁干扰问题日益凸显，已然成为制约电子设备性能提升、影响其稳定性和可靠性的关键因素之一。在此背景下，纳米纤维吸波材料凭借其独特精妙的结构和卓越优异的性能，脱颖而出成为解决这一棘手问题的关键核心材料之一。而静电纺丝技术，以其独特的制备原理和工艺优势，为纳米纤维吸波材料的高效制备提供了切实可行的有效途径，成为该领域研究的重要手段。Zhang等人开展了一项具有重要意义的研究工作，他们选用聚乙烯吡咯烷酮作为原材料，并以 N,N - 二甲基甲酰胺作为助溶剂，采用静电纺丝技术与高温煅烧法相结合的方式，成功制备出了碳纳米纤维。随后，使用电沉积法，在已制备的碳纳米纤维表面完成了苯胺单体的聚合反应，最终成功制备出核壳型碳纳米纤维@聚苯胺纳米复合材料。通过对该纳米复合材料进行全面深入的吸波性能测试，结果表明：其综合吸波性能相较于单一的碳纳米纤维有了极为明显的提升。具体而言，在厚度仅为4.42 mm的情况下，该复合材料展现出了最强反射损耗高达- 44.16 dB的卓越性能。

6 结语

  静电纺丝技术在新型复合纤维材料的制备领域展现出了非凡的潜力和广阔的应用前景。通过对超吸水纳米纤维材料、不同结构纳米纤维材料、具有优秀压电性能纳米纤维材料、纳米纤维柔性材料以及纳米纤维吸波材料的制备研究，我们清晰地看到了这一技术在多方面的卓越表现。然而，尽管取得了显著进展，仍然面临诸多挑战。例如，在大规模生产中如何进一步优化工艺以确保产品质量的稳定性和一致性，以及如何降低生产成本以实现工业化应用等。未来的研究需要更加深入地探索材料的微观结构与宏观性能之间的关系，开发新的材料体系和工艺方法，加强跨学科合作，以推动静电纺丝技术制备的复合纤维材料在更多领域实现广泛应用，为材料科学与工程领域的持续发展注入源源不断的动力，满足现代社会对高性能材料日益增长且多样化的需求。

文章来源：  《染整技术》   https://www.zzqklm.com/w/kj/31870.html