2.1　静电纺纳米纤维科学与技术的发展状况

静电纺纳米纤维技术用于制备具有亚微米或纳米尺寸直径的准三维（quasi-three-dimension）的纤维膜。静电纺丝的原理相对简单，但是其纺丝过程及控制是相当复杂的。总体来说，静电纺丝是导电流体在高压电场中的自发行为，是基于流体在自身表面张力与外加高压电场相互作用和相互竞争的结果，该流体通常是高分子溶液。其原理如图2.1所示。

图2.1　在应用电场作用下的高分子流体液滴（A），静电纺过程的高速摄像图片（B），静电纺纳米纤维在PET无纺布上的SEM图（C）

具体来讲，高分子溶液在喷丝头处由于自身的表面张力而形成液滴，在外加高压电场的作用下，该液滴带电。随着外加电场的增强，该液滴受到的电场作用力也相应增强。当电场强度增加到一定程度时，电场作用力大于液滴自身的表面张力，该液滴的顶端就会形成Taylor锥形，并以喷射流的方式从纺丝头飞向接收装置，该装置通常不带电或带负电。当喷射流在喷丝头与接收器之间飞行过程中，由于溶剂的挥发造成高分子溶液的浓缩，从而造成黏度的增加和电荷斥力的增强，其结果就是喷射流变得不稳定。这个过程导致喷射流以很高的速度大幅度拉伸，加上自身溶剂的挥发，最终在接收器上形成亚微米或纳米粗细的纤维。由于纳米纤维在形成的过程中没有固定取向，所形成的纳米纤维以无纺（nonwoven）的方式收集，并且在喷丝和收集装置以相互垂直的方式运动时，形成二维纳米纤维。随着时间的累计，进一步形成准三维的静电纺纳米纤维膜，其模型如图2.2所示。

图2.2　静电纺纳米纤维膜的模拟图（A）表面和（B）截面

影响静电纺纳米纤维制备和形貌的因素很多，包括材料方面：如无机或有机高分子、天然或合成高分子、杂化材料等；静电纺溶液参数方面：如溶液浓度、黏度、导电性、溶剂等；静电纺丝过程方面：如应用电压、推注速度、喷丝距离、目标收集材料等；以及环境方面：如温度、湿度等。需要指出的是，以上这些参数相互关联、互相影响，因此，静电纺丝过程可以看作是复杂和简单并存的过程。通过对这些参数的调控，所制备出的静电纺纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、纤维直径和膜孔径及孔径分布可调控、孔径相互贯通、纤维表面微观形貌可调控、表面易于功能化修饰等等特点。因此，静电纺纳米纤维可以用于能源、环境、生命及医学、传感器、健康美容、复合材料及其他领域，如图2.3所示。研究人员发表了大量的关于静电纺纳米纤维在以上领域应用的综述。

图2.3　静电纺纳米纤维技术及应用

静电纺纳米纤维在水净化领域的应用主要集中在两个方面：一方面可以作为微滤膜的过滤层直接过滤大尺寸的污染物，如细菌；另一方面作为超滤、纳滤、反渗透膜等的过滤层的支持层，基于其独特的性质包括高孔隙率、大比表面积、孔隙联通、表面易修饰等赋予过滤膜更高的水通量和截留率。已有大量的文献分别聚焦于不同的主题，介绍了关于静电纺纳米纤维在水净化领域的应用。总而言之，静电纺纳米纤维技术通过仪器的配备和材料的选用，可以按照设计者的意愿来制备纳米纤维并可加以修饰，使其具有不同的物理化学性质，以满足各种特殊的水净化领域的要求，被誉为下一代最有前途和优势的过滤介质。