2、广泛回顾了静电纺丝通常涉及的方法和材料。
3、讨论了如何设计静电纺丝纳米纤维的成分、结构和特性以针对不同类型的应用。所有这些特性使静电纺丝纳米纤维成为一类非常适合广泛应用的纳米材料，包括用作“智能”垫子、过滤膜、催化载体、能量收集/转换/存储组件、光子和电子设备，以及生物医学支架。
4、专注于最相关的示例，以突出与静电纺丝纳米纤维开发相关的进展。在每部分的末尾，还提供了对未来发展的挑战、机遇和新方向的看法。
5、最后，在简要总结之后，讨论了静电纺丝纳米纤维的放大生产方法，并展示了基于静电纺丝纳米纤维的商业产品的典型示例。
6、还将静电纺丝与近年来生产纳米纤维的其他技术进行了简要比较。
一张图读懂全文：
静电纺丝的原理
静电纺丝涉及一个电流流体动力学过程，在此过程中，液滴带电以产生射流，然后射流拉伸、固化形成纤维。
静电纺丝的过程
在静电纺丝过程中，由于表面张力，液体从喷丝头中挤出，产生悬垂液滴。带电时，具有相同符号的表面电荷之间的静电排斥使液滴变形为泰勒锥，从中喷出带电射流。射流最初沿直线延伸，然后由于弯曲的不稳定性而经历剧烈的鞭打运动。当射流被拉伸成更细的直径时，它会迅速凝固，导致固体纤维沉积在接地的收集器。一般来说，静电纺丝过程可分为四个连续的步骤：（i） 液滴形成泰勒锥或锥形射流；（ii） 带电射流沿直线延伸；（iii）在电场存在下射流变薄和电弯曲不稳定性（也称为鞭打不稳定性）的增长；(iv)射流固化和纤维收集。
图1：（A）静电纺丝装置图，（B）高速照片显示了一个悬浮的乙二醇液滴的解体，该液滴被充电到瑞利极限，以喷出两个射流。(C)照片显示PEO水滴在水中从球形变成圆锥形，然后喷射出来。(D)液滴在临界点处的照片。
图2：(A)显示静电纺射流路径的示意图。(B)电压对射流的影响。(C)作用在带电射流上的力的示意图。(D)显示弯曲不稳定不同阶段弯曲射流瞬时位置的立体图像。
静电纺丝材料体系
静电纺丝已被用于从各种类型的材料中生成纳米纤维。最常用的材料是溶液或熔体形式的有机聚合物。如果小分子能够自组装并产生足够的链缠结，它们也可以直接静电纺成纳米纤维。当与溶胶-凝胶化学相结合时，各种复合材料直接静电纺成纳米纤维。通过将具有不同尺寸和/或形态的纳米级成分（例如，纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米管和纳米片）引入聚合物溶液中，所获得的混合物也已用于静电纺丝。
图3：(A)静电纺PVP纳米纤维的SEM图像，显示了非织造毡的形成。(B)由含有Mg(NO3)2的水相混合物中PEDOT和PSS静电纺制成的纳米纤维的SEM图像。(C) PEDOT与PSS的物理交联示意图Mg2+离子用于改善粘弹性。(D)显示导电聚合物在静电纺丝过程中形成“静止纤维”的照片。
静电纺丝方法
静电纺丝通常以远场模式进行，使用空心针作为纺丝头，金属基板（如铝箔）作为收集器。这种设置主要用于实验室小规模生产纳米纤维，用于评估新材料的可纺性或在大规模生产前优化纺丝参数。当涉及鞭动不稳定性时，精确控制沉积纳米纤维的形态将变得困难。基于这种通用设置，已进行了改进以进一步提高静电纺丝的能力和多功能性。例如，通过减小纺丝头与收集器之间的距离，可在近场进行静电纺丝，从射流的直线段收集纤维，从而能够精确控制沉积纤维的位置。此外，已使用空心针阵列（多针静电纺丝）而非单针来提高静电纺丝的产量。
代替空心针，已使用二维固体针阵列或大表面积平板（无针静电纺丝）来增加射流数量，从而提高产量，推动静电纺丝走向工业生产。
同轴针的使用进一步赋予静电纺丝从不可纺材料生产纳米纤维和 / 或生成核 - 壳或其他类型结构纳米纤维的能力。至于收集器，已通过与光刻等其他技术结合进行了多种方式的改进，以帮助将纳米纤维组织成不同图案。液体浴也被用作收集器，能够制造新型纤维结构（如纤维纱线和长丝），而非纳米纤维非织造垫。
图4：近场静电纺丝
图5：同轴静电纺丝
静电纺纳米纤维的工程化设计
通过控制静电纺丝的材料和方法，可对纳米纤维的组成、结构和性能进行工程化设计，以满足特定应用需求。从静电纺纳米纤维出发，通过适当的后处理可制备具有纤维形貌的新型纳米材料。通常，聚合物纳米纤维经稳定化和碳化处理后可轻松制备碳纳米纤维。通过选择性去除复合纳米纤维中的聚合物组分，可得到金属或陶瓷纳米纤维。各类纳米颗粒也可嵌入纳米纤维中以赋予其新功能。静电纺纳米纤维非织造垫天然具有高孔隙率和大比表面积，通过引入纤维内孔隙，所得垫子的孔隙率和比表面积可进一步提高。此外，纳米纤维可被制备成珠状、核 - 鞘或中空形态。通过调控纳米纤维的取向或图案化，可将其组装成有序阵列或层级结构。必要时，可对非织造垫的纳米纤维交叉点进行焊接以提供纤维间连接。可采用不同的物理或化学方法对纺制的纳米纤维进行改性，以调节其孔隙率和孔径，以及引入新的官能团和组分。此外，可沿垂直方向对薄纳米纤维垫进行扩展以生成三维架构。
图6 静电纺丝制备碳纳米纤维
图7：静电纺丝制备多孔纳米纤维
图8：静电纺丝制备串珠纳米纤维
图9：乳液静电纺丝制备核壳纳米纤维
图10：同轴静电纺丝制备中空、多通道、管中线结构纳米纤维
图11：静电纺丝制备3D结构纳米纤维
未来发展的新方向
尽管关于静电纺丝作为从各种材料制备（纳米）纤维的平台技术已取得大量成功报道，但仍有若干问题有待解决。
静电纺丝过程的模拟模型需要进一步优化，需考虑纺丝液体的所有特性和所有工艺参数，以更好地阐释带电射流的现象学。若能成功，将能够预测带电射流的行为，从而确定性地制备尺寸、结构和形貌可控的静电纺纳米纤维。
溶液静电纺丝主要用于从各种类型材料制备纳米纤维，但该过程涉及大量溶剂，带来经济和环境问题。因此，迫切需要开发基于 “绿色” 溶剂甚至无溶剂体系的方法。尽管熔融静电纺丝不涉及溶剂且生产率远高于溶液静电纺丝，但其仍局限于生产直径较粗的纤维。
无论采用何种方法，通过静电纺丝制备直径低于 10 nm 的纳米纤维仍然是一项挑战性任务。在这方面，计算建模应能为有效减小静电纺纤维的直径提供有见地的指导。
总体而言，单纺丝头静电纺丝仅适用于实验室，因其存在固有低产量缺陷。
为解决这一问题，已对传统静电纺丝装置进行创新改进，包括多针和无针静电纺丝。对于多针静电纺丝，未来工作应集中于解决多针的堵塞和清洁问题，同时应对精确控制纤维直径和形貌的挑战。此外，已观察到不良相互作用，如产生不均匀纤维、纤维-纤维粘结和/或收集垫中纤维分布不良，这些均需未来关注。对于无针静电纺丝，需要解决与静电纺丝液体相关的稳定性问题，以及与大量液体存储相关的安全问题。目前仍难以在保证所需尺寸、形貌、结构和其他性能的同时，以大规模生产水平可重复地生产均匀纤维。尽管纤维本应沉积在接地目标上，但由于其高度带电，实际上会沉积在附近的每个表面上。如何精确控制纳米纤维在收集器上的沉积，对于制造高度有序结构也变得日益重要。为此，需要发现并进一步开发用于操控静电纺纳米纤维收集的新材料、新方法和新机制。
具有 “智能” 特性的静电纺纳米纤维
在过去十年中，静电纺纳米纤维被赋予了 “智能” 特性，从而实现了各种新应用。例如，刺激响应型纳米纤维能够在受到外部刺激时发生体积和 / 或润湿性变化。作为刺激响应型纳米纤维的一个子集，形状记忆纳米纤维能够呈现不同的形状。通过控制纳米纤维的结构和组成，可以构建自清洁表面。通过模仿人类皮肤的自然愈合过程，静电纺纳米纤维可用作输送愈合剂的载体，以制造自修复材料。可以将微生物和细胞等活微生物纳入其中，以生成 “活” 纳米纤维。此外，用特殊材料改性的纳米纤维可以感知周围环境的变化。当与大比表面积、高孔隙率、柔韧性、成本效益和便携性等其他突出特性相结合时，静电纺纳米纤维已被积极探索用于各种应用，包括控释、驱动、自清洁、自修复和传感等。
图12 ：具有形状记忆特性的静电纺纳米纤维
用于环境与可持续性的静电纺纳米纤维
静电纺纳米纤维在收集器上沉积后，会自然形成具有大表面体积比和高孔隙率的非织造垫，这使其可用作适用于各种应用的过滤膜。这种高度多孔的结构纳米纤维随机缠结形成的结构极大地促进了气态和液态样品的质量传输。事实上，气流或溶液可以高通量地流过静电纺纳米纤维非织造垫，而不会遇到太大阻力。实际上，基于纳米纤维的垫子，尤其是那些具有取向控制和表面功能化的垫子，已被积极探索作为先进的过滤器，用于从污染的空气和废水中去除颗粒物（PMs）、有毒离子和有机分子等污染物。它们还被用于分解有害化学物质和回收贵金属。报告数据表明，基于静电纺纳米纤维的膜在快速有效去除污染物和回收贵金属方面表现优异，具有高选择性、良好的可回收性和显著的稳定性。
图13：静电纺纳米纤维膜用于水处理
用于生物医学应用的静电纺纳米纤维
在过去的二十年中，静电纺纳米纤维已在各种生物医学应用中得到广泛应用。通过设计其结构和性能，包括直径、孔隙率、取向、堆叠方式、图案化、表面官能团、机械性能和生物降解性，二维和三维支架被设计和制造出来，用于控制细胞迁移和 / 或干细胞分化，以促进各种组织（如神经、皮肤、心脏、血管和肌肉骨骼系统）及组织界面的修复或再生。此外，静电纺纳米纤维已被积极探索用于癌症诊断和构建用于癌症研究的体外三维肿瘤模型。有研究报道，通过使用单轴取向纳米纤维调控癌细胞迁移和 / 或将药物掺入纳米纤维以实现控释，可用于癌症治疗。此外，静电纺纳米纤维还被应用于植入涂层、屏障膜和过滤膜等领域，以改进或开发生物医学设备。
图14：静电纺纳米纤维用于组织工程
图15：静电纺纳米纤维用于伤口敷料
总结
在过去的二十年左右的时间里，关于静电纺丝方法的发展以及静电纺纳米纤维针对各种应用的工程化设计已取得了显著进展。大多数进展的取得得益于对静电纺丝机制的更深入理解以及对材料的更好控制。各种各样的材料，包括聚合物、小分子、胶体颗粒以及复合材料，均已成功地被静电纺制成纳米纤维。在方法层面，静电纺丝已能在远场和近场配置下进行。纺丝头被设计成空心、实心或同轴结构，并可单独使用或呈阵列使用。除了具有不同表面图案的导电固体收集器外，液体浴也被探索用作收集器，这不仅能够制造具有新颖结构和形貌的纳米纤维，还能拓展维度。在静电纺丝过程中或后处理阶段，通过对纳米纤维的组成、结构、形貌和组装方式进行设计，其多样性、应用范围和功能得以扩展。值得注意的案例包括由碳、陶瓷或金属制成的纳米纤维的制备；将酶、生物效应分子或纳米颗粒嵌入纳米纤维；在纳米纤维中创建孔隙和/或中空内部结构；将特定官能团或生物效应分子结合到纳米纤维表面；将纳米纤维取向排列成单轴或径向阵列；将纳米纤维堆叠成图案化结构；以及通过沿垂直方向扩展纳米纤维薄垫来制造三维支架。
由于其卓越的性能，静电纺纳米纤维已在从催化到环境保护、能源收集 / 转换 / 存储以及生物医学等多种应用领域得到广泛应用。具体而言，静电纺纳米纤维非织造垫因其高孔隙率和大比表面积，已被用作先进的过滤器，用于去除污染空气和废水中的污染物。通过在直径、孔隙率、取向、堆叠方式、表面官能团、机械性能和生物降解性等方面进行优化，基于纳米纤维的支架已被探索用于促进各种组织（包括神经、皮肤、心脏、血管、肌肉骨骼系统和组织界面）的修复或再生。近期关于静电纺纳米纤维的临床试验已开始为其在再生医学中的最终应用铺平道路，尤其是在用作防止术后组织间粘连的屏障膜方面。
在撰写本综述时，亦有新应用不断被报道，例如通过将等离子体纳米结构（如金纳米颗粒和纳米笼）直接引入静电纺溶液中，将其与聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维结合。金纳米结构的强且可调谐的光吸收特性使复合纳米纤维成为将光转化为热进而转化为电信号的有效换能器。搭载金纳米笼的静电纺 PVDF 纳米纤维在触觉和近红外传感方面展现出大大增强的能力。另一项研究中，负载金纳米笼的 PVDF 纳米纤维非织造垫被应用于通过光热加热实现高效水蒸发。由于 PVDF 具有高度疏水性，其非织造垫可自然漂浮在水面而不沉没。在光子波长与金纳米笼的吸收峰匹配的光照射下，表面水被加热蒸发，而水体主体则保持环境温度，使得水蒸发效率相比传统技术大幅提升。在自然太阳照射（1000 W/m²）下，负载 0.05% 和 0.10% 金纳米笼的 PVDF 纳米纤维非织造垫的水蒸发效率分别高达 67.0% 和 79.8%。这类可持续且可规模化的漂浮膜为静电纺纳米纤维在海水淡化和水净化领域的应用开辟了新途径。
尽管关于静电纺纳米纤维在各种应用中的成功报道数量众多，但仍有几个关键问题（尤其是与规模化生产和安全性相关的问题）在研究和商业化背景下尚未完全解决。产品产量低仍是静电纺丝的主要缺点之一。另一方面，静电纺丝过程需要使用高压，这可能对操作人员造成危险，且不适用于某些电敏感材料（尤其是生物分子）。与此同时，人们也在不断寻找能够在不涉及电场和静电相互作用的情况下制备纳米纤维的替代方法。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00593返回搜狐，查看更多