现代工业的发展及科学技术的进步使得纳米材料技术受到越来越多的关注.纳米材料是指至少在一个方向上的尺寸小于100 nm 的材料^[1].同普通块体材料相比，纳米材料比表面积大、表面能高、表面活性强，使其在光学、电学、磁学、催化以及传感器等方面应用前景广阔.其中纳米纤维作为纳米材料的一个重要分支，是一维的纳米材料，由准一维纳米材料(如纳米管、纳米棒等)发展而来，其一维纳米结构在介观物理以及纳米级器件的制作方面具有独特的应用潜力，其制备技术也引起了广大科研工作者的兴趣^[2-3].气相化学合成法、热分解前驱体法、模板法、水热合成方法等均被应用于一维纳米纤维材料的制备.其中静电纺丝是一种简便、快速、高效的生产纳米至微米级纤维的一种技术，通过该技术制备纳米纤维、纤维毡、纤维布在医疗、催化剂以及复合材料等方面有着广泛的应用前景.

电纺丝是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成射流而形成连续纤维的加工工艺，多采用溶液纺丝，也有少量熔融纺丝.该方法是带电荷的熔体或高分子溶液在静电场力的作用下流动发生变形，经熔体冷却或溶剂蒸发而固化，最终得到纤维状物质.早在1934 年Formhals 采用静电技术将醋酸纤维素溶液纺丝，并申请了专利.其后发展缓慢，直到20 世纪90 年代纳米技术的兴起才引起人们的广泛关注，同时也拓宽了静电纺丝技术的应用领域^[4-6].最初电纺丝主要用于聚合物纳米纤维的制备，其中电纺高分子聚合物纳米纤维已经应用于细胞培养、组织工程、药物缓释等医药领域.现在电纺丝技术也应用于制备陶瓷纳米纤维，该过程多以聚合物为络合剂，与金属盐反应制得前驱体溶液，采用静电纺丝方法得到微米、纳米级纤维，通过煅烧可得到陶瓷纳米纤维.该技术目前已经成功应用于光催化材料、介电材料、磁性材料、铁电材料、电极材料等领域.综合近年来电纺丝研究成果，本文主要介绍电纺丝技术在纳米功能材料制备方面的应用.

1 电纺丝设备及其原理

电纺丝方法制备纳米纤维的装置示意图如图 1所示，其主要包括高压电源、带有导电纺丝液的金属毛细管和纤维收集板3 部分组成.纺丝针头和收集板分别接高压电源的正负极，主要为纺丝过程提供高压静电.导电的高聚物纺丝液在高压电场和重力（或其它推动力）作用下，在毛细管出口处形成Taylor锥，当电场力超过液体的表面张力时，此时带电液体以纤维束方式在Taylor 锥的顶端喷射而出形成直射流.直射流在经过一段长度后开始出现不稳定弯曲，同时有大幅度的鞭式甩动，此时溶剂不断挥发，形成纤维状细丝，随后细丝高速到达收集板上，纤维上所带电荷与负极积聚的负电荷中和掉，此时获得了电纺丝纤维^[5-8].

从电纺丝装置来看，其可控调整参数主要为纺丝液、电源、喷头和收集板4 部分.纺丝液可以分为熔融纺丝和溶液纺丝，熔融纺丝以高分子熔体为纺丝原料，研究相对较少；溶液纺丝是以合适的溶剂溶解高分子原料制成纺丝溶液进行电纺丝过程的.其中溶液纺丝研究较多，其控制主要参数为溶液的表面张力、黏度、电导率以及环境温度、湿度等因素的影响.对电源来说，一般只要可以产生数万伏的高压即可满足要求.人们为了获得特殊结构的纳米纤维一般对纺丝喷头和收集板进行改装，结合电场分布状态达到控制纤维结构及分布的目的.目前，纺丝喷头主要有单喷头纺丝、多喷头共纺、同轴多层混合纺、扫描探针纺丝和无针纺丝技术等；收集板的改装主要有金属平板接收、旋转圆盘接收、金属框架接收、滚筒接收、高速转轮接收、电场定向接收、磁场定向接收和针尖取向接收等.

2 电纺丝制备纳米纤维 2.1 电纺丝纤制备纳米维膜 2.1.1 电纺丝制备过滤净化材料

纤维材料作为广泛的过滤介质，其纤维分布结构及纤维直径是影响过滤效果的主要因素.纤维越细，过滤效率越高；纤维排布越不均匀，越有利于拦截尘埃粒子，过滤效果越好.由于纳米纤维比表面积大，增加了空气中悬浮微小颗粒在其表面沉积的概率，同时又不对气流形成较大的阻力，从而提高了其除尘的效率.静电纺纤维膜具有高孔隙率和贯通的三维孔隙结构，很适合做空气过滤材料.王晗等^[9]使用PEO水溶液利用静电纺丝制备出不同直径的纳米纤维薄膜，并对其过滤效果进行了研究.结果表明，对于 PM10 颗粒，纤维直径在400～600 nm 范围内的电纺纳米纤维薄膜对空气的过滤效果较好.操彬彬等利用气流电纺法制备了TiO₂/尼龙6（PA6）纳米复合纤维，并对其抗菌效果进行了测试.结果表明气流电纺纤维的平均直径为60~65 nm，杀菌率最高可达99.74 %，通过热压将此纤维制备成夹心式过滤材料，对1 μm的PS 微球的过滤效率可达99.50 %^[10].刘雷艮利用静电纺聚酰胺6/壳聚糖（PA6/CS）复合纤维膜对Na- Cl 气溶胶的过滤效率可达99 % 以上^[11].

2.1.2 电纺丝制备支架材料

利用生物降解型聚合物所制备的电纺纤维具有可生物降解性等特点，电纺纤维被广泛应用于药物传输、组织工程、创伤敷料等领域.支架材料是组织工程技术成功的关键，支架材料的拓扑结构、孔隙度、微观形貌等对细胞的形态、黏附、生长等功能具有重要的影响^[12].静电纺丝纤维膜三维形态可控，且具有与细胞外基质相似的形态和纤维拓扑结构，具有很好的生物相容性.其纤度细，孔隙率高、表面积大、可以为细胞提供一个类似细胞外基质的多孔支架，有利于细胞的吸附生长，因此电纺纤维成为组织工程支架材料研究的热点.

傅亚等利用静电纺丝法制备了聚消旋丙交酯（PDLLA）超细纤维，超细纤维经真空冷冻干燥后作为纤维支架培养成骨细胞，研究表明PDLLA 纤维丝上成骨细胞成功黏附且生长良好，同时促进了细胞分泌细胞外基质成分，这说明该材料具有很好的生物相容性^[13].吴晓楠等将牙周膜细胞接种于静电纺丝技术制备的聚己内酯/I 型胶原蛋白、聚己内酯/I 型胶原蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料支架上，结果表明该材料能够诱导牙周膜细胞向成骨细胞方向分化.具有一定的骨化诱导潜能，有望作为一种新型可吸收性引导组织再生膜材料^[14].何莹等探讨了壳聚糖-聚己内酯纳米纤维膜载体对细胞成骨分化能力的影响.结果表明静电纺聚己内酯-壳聚糖纳米纤维膜在体外能够促进细胞的成骨分化，为骨缺损及再生修复提供了科学依据^[15].

2.1.3 电纺丝制备药物载释材料

电纺纤维作为载药体系具有很多的优点，例如通过调节药物释放速率而实现药物的可控释放；通过改变载药纤维的亲水性和孔隙率等改善药物溶出性能，提高药物的利用度，增加药物稳定性等，因此成为制作药物控释系统基材的优良选择^[16].巫寒冰等以聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯亚胺（PEI）为原料，加入一定量羧基化的多壁碳纳米管（MWCNTs），电纺丝制备了 PVA/PEI/MWCNTs 复合纤维.该复合纤维对酮洛芬具有很高的载药量和两段式释放的缓释效果，持续时间可达39 h 左右.因此可以将载有不同药物的PVA/ PEI/MWCNTs 复合纳米纤维膜应用于需要长时间给药的疾病治疗^[17].秦静雯利用静电纺丝制备了载姜黄素（CM）的多层结构醋酸纤维素/聚乳酸（CA/PLA）载药纳米纤维膜.释药性能测试发现载药量大的纳米纤维释药速率大，随着PLA 层厚度的增加释药速率降低，可以通过控制PLA 层厚度控释药物，其药物释放机制以扩散机制为主^[18].蔡京昊利用纱布接收电纺制备了纱布-单宁/醋酸（TA/CA）复合纳米纤维-纱布夹心材料，研究结果表明TA 质量分数越大，其释放速率越快；温度升高有助于TA 的释放，夹心材料较单独的纳米膜有更好的控释作用^[19].这表明电纺纤维膜也可以作为伤口修复材料，同时又能起到很好的隔菌效果.因而电纺纤维膜作为载药体系对于烧伤、烫伤、擦伤等大面积损伤具有很好的防护作用和促进伤口愈合性能.这些研究结果能够更好的指导静电纺丝技术在过滤阻隔材料、生物医用、药物释放等领域的应用.

2.2 电纺丝制备陶瓷纤维 2.2.1 碳纳米纤维材料

碳纳米纤维由于比表面积大、导电和导热性好，被广泛用于催化剂载体、吸附和储能材料.静电纺丝是制备一维纳米纤维直接、有效的方法，利用静电场的强大作用，使纳米碳发生取向，就可以获得整齐排列的聚合物/纳米碳静电纺丝纳米纤维.湘潭大学刘丽媚以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为原料，通过静电纺丝法结合三步热处理工艺成功制备出多孔碳纳米纤维，证实该纤维具有良好的电化学性能^[20].清华大学刘瑛岩采用聚酰胺（PAA）和矿物油为壳溶液和核溶液的同轴电纺丝法制备出碳空心纳米纤维，研究表明壳溶液的质量分数对空心纤维结构的形成至关重要，但空心结构对碳纤维的晶体结构没有影响^[21].

2.2.2 光催化材料

水资源污染问题日益严重，光催化材料在光照下可以产生光生空穴来降解有机染料等有毒物质.静电纺丝制备出的纳米纤维具有大的比表面积、高的光催化活性和强的吸附能力.Sineenart 和胡松分别利用电纺丝制备了N-TiO₂和Ag-TiO₂纳米纤维，通过掺杂改性使得TiO₂纳米纤维的光催化性能在可见光区有了较大提高^[22-23].Frank 电纺制备了WO₃纳米纤维，研究发现纳米纤维在煅烧过程中发生了从无定形到正交晶系的转变，其在可见光照射下的光催化性能也有了提高^[24].S.Bharathkumar 利用电纺丝制备 BiFeO₃纤维时，发现该纤维不仅具有优良的磁性能，而且在太阳光照射4 h 后可以降解亚甲基蓝，其效率可达96 %^[25].周晓玲利用电纺合成BiFeO₃纤维，投入到AgNO₃溶液制备Ag-BiFeO₃复合纤维，通过Ag掺杂可提高对罗丹明B 的降解率^[26].沈琳采用静电纺丝技术制备了Bi₂WO₆材料，研究结果表明其光催化性能明显高于水热合成制备的材料，这是由于该法制备材料带隙能窄于水热合成制备材料引起的^[27]，这为光催化材料制备及性能改善提供了一条新的思路及技术路线.

2.2.3 发光材料

稀土发光材料吸收光的能力强、转化率高，可发射从紫外到红外区域的光，尤其在可见光区域，有很强的发射能力.一维纳米发光材料由于纳米尺度和结构的影响，其能带结构发生变化，往往表现出独特的发光性质和规律.李晓萍采用静电纺丝结合烧结工艺制备直径为100 nm 左右的Sm³⁺掺杂的YVO₄纳米纤维.该纤维材料在261 nm 紫外光的激发下存在3 个发射峰，其中605 nm 处的发射峰最强，发射出橙色光.因此，Sm³⁺掺杂的YVO₄有望应用于不同色品质（暖、冷）的白光LED 灯中^[28].罗军利用静电纺丝制备出稀土铝酸锶发光纳米短纤维，其激发与发射光谱均为宽带谱，激发光谱峰值为365 nm，经激发后发射510 nm 绿光，且发射光谱出现蓝移^[29].董相廷等利用静电纺丝制备了Y₂O₃:Yb³⁺ ，Er³⁺复合纳米纤维和 Gd₃Ga₅O₁₂:Eu³⁺纳米带，在不同的光源激发下，发射出不同波长的荧光^[30-31].利用电纺丝结合高温煅烧制备的LaOCl:Eu³⁺、IN₂O₃、LaPO₄:Tb³⁺等纳米纤维均表现出良好的晶体结构和光致发光特性，这将对于探索新型无机氧化物一维纳米发光材料的研究提供一定的理论基础^[32-34].

2.2.4 铁磁材料

铁氧体是早已熟知的磁性材料，广泛用于永磁材料、微波吸收和高密度记录介质等.为提高其性能，制备结晶完整、尺寸小、粒径分布窄的一维纳米材料成为研究热点.郭远征等利用静电纺丝制备的多晶 BaFe₁₂O₁₉纤维平均直径150 nm，矫顽力同粉体相比有很大提升，有望应用于高密度垂直记录材料和微波领域^[35].Cao 利用静电纺丝制备的Fe₃O₄纳米管显示出了低的饱和磁化强度^[36]； Huang 制备的Fe₃O₄纳米纤维可以作为吸波材料^[37]；Tang 制备的Co_0.8Ni_0.2Fe₂O₄纳米纤维直径为350 nm 左右，显示了超顺磁行为^[38].李维学采用静电纺丝制备了铁氧体Nd³⁺掺杂CoFe₂O₄纳米纤维，其饱和磁化强度Ms 与矫顽力Hc 随着纤维晶粒尺寸的增加而增加，作为硬磁材料的性能得到改善^[39].李佳乐制备了Ni_0.4Co_0.2Zn_0.4Fe₂O₄/BaTiO₃纳米纤维双层吸波涂层表现出了优异的吸波性能，该双层吸波涂层有望发展成为新型宽频带强吸收吸波材料^[40].这些研究表明，通过静电纺丝技术改变材料的结构，能够改善铁磁材料的铁磁性能，这将有利于铁磁材料在磁学、电磁波吸收与屏蔽领域具有良好的潜在应用前景.

2.2.5 电极材料

作为清洁能源之一，锂离子电池因具有电压高、体积小、比能量高、循环寿命长、可靠性好等优点而备受关注.为了优化电池结构、提高电池比容量，一维纳米结构电极材料应运而生.一维纳米电极材料可以大大缩短电子离子的扩散距离，提高电极与电解液的有效接触面积，增加电流密度，缩短充放电时间，显著提高其充放电比容量.复旦大学陆海纬采用静电纺丝结合高温退火制备了Li₄Ti₅O₁₂纳米丝状纤维电极^[41].该电极材料在大电流密度下显示了较好的充放电性能，且锂离子脱嵌后，电极网状结构保持稳定.由于没有添加剂，其高倍率性能未能显现.Rubi 制备的不同结构形貌的Li₄Ti_4.9Fe_0.1O₁₂/C 纳米纤维具有较低的电阻，适合用于锂电池阳极材料^[42].黄绘敏电纺制备SnO₂纳米纤维适宜做锂电池活性材料，且表现出较好的电化学特性，作为锂离子电池负极材料首次充放电可逆容量为717 mA·h/g，经20 次充放电循环后容量保持在320 mA·h/g，库仑效率可保持在93 %左右^[43].静电纺制备的SnO₂/TiO₂纳米纤维作为锂离子电极具有较低的比容量（80 mA·h/g），但TiO₂的掺杂改善了SnO₂的电池性能^[44].Ou 电纺制备的LiCoO₂粉末电极具有较高初始充放电容量（153 mA·h/g）和循环稳定性^[45].这主要是静电纺丝技术制备的电极具有正交多层有序网格，这种网格结构的电极能有效的增大电极与电解液的接触面积，利于离子的传输和界面反应，提高了电池的充放电性能.因此，通过静电纺丝技术制备不同结构的电极材料，研究电极的结构对其电化学性能的影响具有重要的意义.

2.2.6 其它无机氧化物纳米纤维

除以上几种功能陶瓷材料外，大部分无机氧化物纳米纤维均具有较好的光、电、磁性能.BaTiO₃是最早发现的钙钛矿铁电体，李和平利用PVP、乙酸钡、钛酸丁酯、无水乙醇和乙酸混合液电纺获得前驱体复合纤维，随后经煅烧获得了不同直径的BaTiO₃纳米纤维^[46].铁电材料PbZr_1-xTi_xO₃（PZT）纤维可以利用电纺技术制备出单晶材料，通过调节工艺制备出尺寸可控的铁电体^[47].另外，静电纺丝技术通过对装置的改进，可以得到实心、空心、核壳结构的有机、无机纳米线.目前已成功制备了BaO、SrO、ZnO、MgO、ZrO₂等金属氧化物纤维，而不同结构形貌的纤维材料表现出不同的功能特性^[48-51]，这为一维纳米材料制备功能材料开辟了一条方便快捷的途径.

3 结论

随着科技的发展和社会的进步，纳米材料的种类、数量逐渐增多，人们对纳米材料的要求也越来越高.广大科技工作者对静电纺丝技术制备纳米纤维的纺丝过程、工艺参数、纤维结构特征、形态控制及用途等进行了大量研究.电纺丝技术不仅成功的应用于医药领域，而且正在新型光、电、磁材料等领域发展，而且对其做出了巨大的贡献.但电纺丝进行大规模纳米纤维生产还存在一定的困难，这主要是纺丝速度慢、产量低.同时单根连续纤维和直径过小的纳米纤维无法获得； 电纺丝过程中溶液性质同Taylor 锥形成稳定性关系尚不清晰，这些问题都需要进一步研究.我们相信随着科学技术的进步，电纺丝技术制备纳米纤维复合材料定会在科技领域发挥越来越重要的作用.