知
识
在纺织领域我们经常会听到两个名字十分相近但含义截然相反的词语，比如静电纺纱和静电纺丝，单从词语本身上来看，它们如同一对孪生兄弟，十分相近，但实际上静电纺纱和静电纺丝代指两种完全不同的工艺。
本篇文章笔者将会从起源、含义、工艺等诸多方面，带领读者全面深入地了解静电纺纱和静电纺丝的区别。
一
静电纺纱
纺织工业从第一次工业革命发展到现在，已经历经两百年。纺纱方式也已经从传统的环锭纺，发展出气流纺，紧密纺以及涡流纺等等形式。本篇文章所介绍的静电纺纱属于自由端纺纱的一种，属于现在比较新兴的纺纱方法。
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静电纺纱起源
静电纺纱专利最早是E.S.肯尼迪、S.奥格尔斯比﹑A.L.托马斯等先后在年和年提出的，随后不少美国公司着手对静电纺纱展开研究。
世界上最早的静电纺纱机出现在年的国际纺织机械展览会，它是由美国电纺公司制造的一台20锭样机。
经此展览，世界各国对静电纺研究产生重视。中国的静电纺纱研究最早可以追溯于年，年出现最早的静电纺纱机。
2
静电纺纱原理
笔者以棉纱的纺纱工艺为例，为读者讲解一下静电纺纱的原理。
棉条在静电纺纱机想要从松散的棉条变成棉纱，要经过一下纤维开松、输送、静电场凝聚﹑自由端加拈﹑筒子卷绕等工艺。
在静电纺纱工艺流程中，纤维开松方式一般分为两种，一类以罗拉牵伸作为开松机构﹐纤维的输送和凝聚利用静电场的作用﹔另一类以刺辊作为开松机构﹐利用气流输送纤维﹐而纤维的凝聚则利用静电场的作用。
静电场对纤维的作用力是库仑力，其大小和纤维上的电荷量q以及电场强度E有关。
纤维上的电荷量一般来源于三个方面：
第一，电晕放电，静电场中的电极由于高电压产生电晕放电现象使空气电离﹐纤维从空气中获得一定量的自由电荷；
第二，接触带电﹐纤维在进入电场之前与作为电极的前罗拉金属表面接触时获得一定量的电荷。
第三，摩擦带电，纤维进入电场之前在经过刺辊锯齿分梳时或沿管道内壁运动时﹐因摩擦作用产生电荷转移﹐使纤维获得一定量的电荷。
棉条的开松一般是使用刺辊，然后通过气流将其输送到静电场中。
如图所示到达静电场中的棉纤维，会因为极化和电离作用产生库仑力F，在库仑力的作用下，松散的棉纤维会在中心线位置旋转成自由端棉条，然后通过加捻器加捻成纱啊，并通过牵引罗拉卷绕成筒子。
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静电纺纱与环锭纺纱区别
作为一种新兴的纺纱方式，静电纺纱与环锭纺纱的原理和结构都有所不同，因此纺出来的纱线的结构和性能各有特点。
与环锭纱比较，静电纱的纤维伸直度较差，结构分层，各层拈度不同，成纱拈度较多，弹性较差，手感较硬。但静电纱的条干较均匀，毛羽和棉结杂质较少，织物耐磨性能较好，吸色性好。
可是由于纺纱工序中，静电场罩壳内部容易粘附纤维，而且输棉管﹑刺辊壳也容易勾住纤维，从而让静电纺纱后的纱线表面出现粗节和纱疵。
不过也因为这样的特性，静电纺纱适合纺制各种混纺纱、竹节纱、包芯纱等等。
二、静电纺丝
和静电纺纱不同，静电纺丝是从化学原液到长丝的过程，即高分子流体经过静电雾化成聚合物微小射流，然后固化成纤维。
01
静电纺丝的起源
静电纺丝的英文名称是Electrospinning或Electrostaticspinning，最早出现在formalas于年申请的一项关于静电力制备聚合物纤维的实验装置的专利中。在这项专利中公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。
接下来年Simons申请了由静电纺丝法制备非织造薄膜的专利，被认为是静电纺丝技术进入新应用的转折点。
02
静电纺丝的原理
静电纺丝是将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。在细流喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成非织造布状的纤维毡。
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静电纺丝的应用
（1）目前静电纺丝的应用主要在高分子聚合物的膜化技术上，主要包括聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯晴等柔性高聚物的静电纺丝，也包括聚氨酯弹性体的静电纺丝以及液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等的静电纺丝。
（2）静电纺丝制备的纳米纤维，具有比表面积大、孔隙率高、尺寸容易控制、表面易功能化（比如表面涂覆、表面改性）等特点，在许多领域都有重要的应用价值。
（3）静电纺丝纳米纤维在过滤以及个体防护方面的特性，让它可以应用在水处理、防护服、口罩等方面；同时，纳米纤维在传感器领域可以用作电阻传感器、光学传感器等；在化工领域可以用于催化剂；在生物医学领域可以用于伤口敷料、组织工程支架、药物载体等。
04
静电纺丝的影响因素
静电纺丝是由喷丝针头处射出的纺丝液在外部恒定高压电场的作用下运行，纺丝液受到电场力的作用而被牵伸、分裂，与此同时纺丝液中的溶剂也快速挥发，随后聚合物溶液射流在接收器上沉积、固化的过程。有较多的工艺参数会影响纤维的直径，从电压、溶液流速、针距、溶液的浓度和粘度、溶剂、收丝筒的转速、纤维制备环境等几个方面来讨论。
电压
纺丝电压是纺纳米纤维非常重要的一个工艺参数。在纺丝电压范围为A～BkV，所制备的纳米纤维连续且表面光滑，并随着纺丝电压的变大，纳米纤维的直径变小。当纺丝电压较低时(AkV)，由于电场力较小难以克服纺丝液自身的表面张力，阻碍了纺丝液的牵伸与分裂，从而形成的纳米纤维直径较大;随着纺丝电压的逐渐升高，电场强度越来越大，聚合物溶液射流更容易发生拉伸和分裂，形成直径较细的纳米纤维，纺丝电压进一步升高到BkV甚至更高，电场强度过大，导致每一次纺丝液的射流量加大，射流速度加快，不利于射流的拉伸与分裂，从而使纤维直径变大，均匀性变差，导致珠状或者串珠状纳米纤维。
溶液流速
静电纺丝过程中，纳米纺丝的速率是由注射器推进速度来决定，调节纺丝速率的快慢不仅决定着纳米纤维的生产效率，更重要的是会影响针头液滴的稳定性和纤维的直径大小。
在制备纳米纤维的过程中，随着纺丝速度的增加，制备得到纳米纤维的直径会逐渐增加，甚至导致珠状纤维的形成（由于纳米纤维射流在针尖和金属收集器之间的飞行过程中不完全干燥）。
针距
纺丝针头与收集器的间距会影响到电场的强度和纺丝液溶剂的挥发，从而影响到纳米纤维的直径。如果电压保持恒定，则电场强度将与距离成反比。在典型的静电纺丝装置中，该距离范围为10cm至15cm，这通常允许溶剂蒸发足够的飞行时间，从而沉积干燥的纤维束。如果距离太短使得溶剂不充分蒸发，则可能形成熔合纤维。
收丝筒的速度
纤维直径也受到收丝筒转速的影响，转速越高，纤维直径越小。这是由于纤维沉积在收丝筒上时的机械拉伸。然而，过度拉伸已经显示出导致颈缩和纤维断裂。
聚合物浓度和粘度
当聚合物的浓度较低时，聚合物链在到达收集器之前就断裂了，会形成珠状或串珠状纳米纤维，也会出现飞丝现象。增加聚合物溶液的浓度会导致粘度的增加，会形成无珠状纳米纤维。当溶液浓度超过一定值的时候会阻碍溶液的流动，获得有缺陷或串珠纳米纤维。
对于高粘度溶液，电荷可能不会产生足够的强度来拉伸溶液以形成纤维。如果溶液如此粘稠以至于几乎是“凝胶状”，则可能需要降低溶液的浓度。然而，低于一定浓度，静电纺丝射流可能分解成液滴而不形成纤维。随着粘度的增加，可以得到无珠的纳米纤维。PEO溶液静电纺丝的最佳粘度为-cp，PAN溶液静电纺丝的最佳粘度为1.7-cp。
溶剂的作用
首先，静电纺丝的首选溶剂含有完全可溶的聚合物。第二，溶剂的沸点要适中。它的沸点给出了溶剂挥发性的一个概念。由于挥发性溶剂的高挥发率，使得溶剂在从针尖到收集器的飞行过程中更容易从纳米纤维中蒸发。然而，高挥发性溶剂大多是避免的，因为它们的低沸点和高蒸发率导致干燥的喷嘴在针尖。这种干燥会阻塞针尖，因此会阻碍静电纺丝过程。同样，挥发性较低的溶剂也要避免，因为它们的高沸点会阻止它们在纳米纤维喷射过程中干燥。含有溶剂的纳米纤维在集电极上的沉积将导致珠状纳米纤维的形成。
通过以上的介绍，相信各位读者可以看到，静电纺纱主要是纤维到纱线的过程，静电纺丝则是从聚合物原液到纳米级纤维膜的过程，两者名字虽然十分相近，却指的是两种完全不同的工艺，希望大家不要搞错。
文字编辑/邬亚鸿
责任编辑/胡罡
图文编辑/刘生源
审核/沈开方周恭喜郝振东
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