最近，來自俄羅斯科學院理論與實驗生物研究所的一個研究小組利用直徑小于15 nm的聚酰胺纖維制成了一種過濾性和光學性能均優(yōu)于其他同類材料的超輕織物，可以明顯提升其空氣凈化效果。

據(jù)稱，這種材料不僅滿足輕量化要求——重量僅10 ～ 20 mg/m²，其光學效果更可以與玻璃相媲美，透光率達95%。同時，空氣過濾性好，氣流阻力低，對直徑0.2-0.3μm粒子的過濾效率高達98%。

那究竟是什么讓這種材料能夠達到如此理想的效果呢？關鍵在于該研究小組對靜電紡絲的技術改進：在電場作用下，溶解聚合物通過特殊的噴嘴噴向特定的目標，而另一方向上是已經(jīng)過電噴霧處理過的乙醇。聚合物和酒精離子彼此帶有相反的電荷，當它們在空中相撞時便能夠緊密結(jié)合，形成超薄的靜電紡絲納米纖維薄膜。不同于在固體導電襯底上獲得納米聚合體，該新的技術在過濾器的導電聚碳酸酯基底上設有一個55mm的孔洞 ，可以吸引形成的纖維降落到表面。

1902年，美國第一次在靜電場力作用下，利用溶液噴射流制備出纖維。1934年，F(xiàn)ormhals在美國提出靜電紡絲技術并申請了專利。早在上世紀50年代，靜電紡納米纖維就已經(jīng)被應用于工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)展至今，納米紡絲技術已經(jīng)經(jīng)歷了針頭式、多噴頭式和無針頭式三個階段。除此之外，各種新技術新、新工藝也層出不窮。

針頭式靜電紡絲

一般針頭式靜電紡絲基本裝置主要包括高壓電源、噴絲（針）頭和接收裝置三個部分。技術原理主要是利用高壓靜電場激發(fā)聚合物，使其表面產(chǎn)生大量靜電電荷，在靜電斥力的作用下，聚合物液滴形成射流通過針頭噴出，聚合物加速拉伸而細化，最后固化冷卻形成納米級超細纖維，復合在基材上。美國Donaldson公司的Ultra-Web納米纖維是產(chǎn)業(yè)化的針頭式靜電紡絲的代表產(chǎn)品，目前仍是靜電紡絲納米纖維符合濾料技術在世界范圍內(nèi)最為成熟的生產(chǎn)商。

針頭式靜電紡絲基本裝置

多噴頭靜電紡絲

雖然靜電紡絲是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)亞微米纖維的首選方法，但靜電紡絲仍然存在許多限制，如生產(chǎn)率低。一些公司試圖通過使用多噴嘴形成更多纖維而提高靜電紡絲產(chǎn)量，如日本伊藤忠商事、美國NanoStatics公司、韓國Toptec等。但是，要達到商業(yè)化的生產(chǎn)率所需的噴射器的數(shù)目高達數(shù)千個。這將導致在生產(chǎn)過程的可靠性、質(zhì)量的穩(wěn)定性和機械的維護等多方面的挑戰(zhàn)。

我國北京化工大學楊衛(wèi)民教授團隊開發(fā)出的熔體微分靜電紡絲技術，解決了高粘度聚合物熔體微分流細化的難題，還發(fā)明了熔體微分多噴頭并聯(lián)技術，采用32噴頭（每頭50 ～ 90孔），可生產(chǎn)直徑為500 ～ 800 nm的纖維，產(chǎn)量可達600 g/h。

無針頭靜電紡絲

由于針頭式紡絲設備存在噴孔易堵塞，纖維產(chǎn)量低，多噴頭產(chǎn)量提高但噴絲射流相互干擾等問題，捷克Elmarco公司生產(chǎn)出了世界上首臺用于工業(yè)化的納米纖維靜電紡絲機——納米蜘蛛（Nanospider；NS）。納米蜘蛛的紡絲原理稱為自由液體表面靜電紡絲。紡絲過程實現(xiàn)從點 (針頭) 到線 (電極絲) 的擴展，效率更高。

Elmarco最新的Nanospider生產(chǎn)設備

我國蘇州大學何吉歡教授團隊根據(jù)氣泡動力學原理提出了另一種具有產(chǎn)業(yè)化前景的納米纖維的技術——氣泡靜電紡絲技術。氣泡靜電紡絲技術是基于氣泡動力學，在紡絲溶液液面形成均勻的、破碎頻率穩(wěn)定的球形氣泡，用靜電和外加氣流等作為動力克服氣泡的表面張力而完成紡絲過程，極大提高了納米纖維生產(chǎn)的可控性與效率，是我國具有完全自主知識產(chǎn)權的一種全新的紡絲方法。

氣泡靜電紡絲裝置示意圖

除此之外，新的聚合物納米纖維的成形工藝不斷涌現(xiàn)，一些較為成熟的技術也都完成了商業(yè)化運行，如：溶液噴射紡絲（Solution Blow Spinning）、強力紡絲（forcespinning）、混合膜法（HMT）和電噴法（electroblowing）紡絲、離心紡絲、液體剪切紡絲等。

離心紡納米纖維技術

美國科學家已經(jīng)利用噴槍原理制造出可以噴射并貼合傷口的納米纖維技術

科學家們甚至試圖采用用于圖形藝術和汽車噴繪的普通噴槍制造納米纖維，來替代醫(yī)用縫合線。這些新技術的不斷發(fā)展，必將為納米纖維行業(yè)注入了新鮮血液，改變我們的生活。可以說，納米纖維及這項技術本身所形成的市場并不是最終市場，它具有非常強的帶動性和使能性。展望未來，相信納米纖維技術將推動許多行業(yè)的設計準則、裝備和系統(tǒng)的變革，并使其增加價值。