近场静电纺丝由来

随着对静电纺丝技术及其制备的纳米纤维的深入研究，静电纺丝装置近年来也做了大量的改进。早期的电纺装置改进主要集中在喷头与接收器上，近几年由于静电纺丝高电压所引发的安全与能耗问题，使得研究人员逐步探索低压电纺。

目前实现低压电纺主要有三个途径：一是增加外力辅助作用以减小电场力作用；二是改变纺丝液组分，添加具有特殊性能的物质；三是改变纺丝距离。其中效果最为显著的方式是改变纺丝距离，即近场电纺。

近场静电纺丝的局限性

近年来，越来越多的材料通过近场静电纺丝技术被制备成微纳米纤维，应用领域也越来越宽广。受到探针针尖蘸取量的限制，近场电纺不能进行连续大规模的制备微纳米纤维。

此外，纺丝液形成的泰勒锥与收集板间有限的距离导致纤维在电场中劈裂、拉伸和细化的程度不够，使所得纤维直径偏大，达不到纳米级别，这些成为近场电纺发展初期限制其应用的主要因素。

近场静电纺丝的发展

➣2003年，Jun Kameoka等最先研究低压电纺，介绍了一种用扫描探针作纺丝针尖进行静电纺丝制备有序纤维的方法。

➣用自组装300um左右的箭头形硅针尖作探针，采用探针蘸取聚合物溶液的方式进行电纺，纺丝距离为2cm，纺丝电压4-6kV。这种方法使得低压近场静电纺丝变为可能。

（A）近场电纺原理示意图；（B～E）纺丝过程照

➣2006年，厦门大学孙道恒等首次提出近场静电纺丝的概念，该团队使用自组装25um的钨针尖蘸取纺丝溶液进行近场电纺，纺丝距离500um，纺丝电压仅有600V。

➣文章重点研究了近场电纺在直写技术中的应用，控制收集板以不同的速度单向移动，将收集板移动速度与纺丝速度进行协调匹配，达到制备有序纤维目的，并进行了一些初步的直写尝试。

近期近场静电纺丝的研究进展

1.Sci. Rep.：三维表面印刷方法用于连接基底相对侧上的电极

➣随着直接打印方法的应用越来越广泛，对在具有非脂肪表面的基材上进行打印的要求也越来越高。然而，在三维表面上的打印面临着许多困难，包括由于重力引起的墨水流动以及打印线在尖锐边缘上的连接。

➣这项研究提出了一种有效的方法以在具有锐利边缘界线的三种不同面上打印精细的图案（约30μm）。

➣该方法使用导电油墨的缺陷和可拉伸射流，该射流是通过近场静电纺丝（NFES）技术生产的。

➣作为一项实际工业应用，经证实该方法可以有效地应用于需要连接玻璃两侧电信号和电源的显示应用。当沿着“∏”形玻璃表面的印刷线路的总长度为1.2mm时，可以获得的平均电阻为0.84Ω。

DOI:10.1038/s41598-020-75556-x

2.Adv. Mater. Technol.：近场静电纺丝制备高灵敏度的各向异性应变传感器

➣美国西北大学郭平&香港中文大学赵铌探讨了近场静电纺丝在柔性应变传感器制备中的应用。通过理论建模，首先验证了通过将网格状设计引入应变传感器的传感层可以获得较强的各向异性响应。

➣利用近场静电纺丝技术制备周期和厚度可控的聚氨酯网格，并用导电银纳米线进一步修饰网格。

➣通过调整聚氨酯网格的结构和银纳米线的密度，可以在高应变（200％）下获得高应变系数（GF=338.47），这表明该柔性应变传感器结合了最佳传感和拉伸性能。

➣应变传感器在区分手部运动和监测生理信号方面具有出色的能力，这表明该传感器在机器人视觉和假体中具有广阔的应用前景。

DOI:10.1002/admt.202000550

3.J. Membr. Sci.：通过3D打印近场静电纺丝制备具有有序多孔结构的PVDF纤维膜

➣天津工业大学赵健团队通过3D打印近场静电纺丝（NFES）技术制备了具有规则几何孔结构的新型聚偏氟乙烯（PVDF）纤维膜。

➣将PVDF/SiO2溶液静电纺丝成具有三角形、矩形、六边形和正方形以及圆柱形等一系列规则几何孔结构的纤维膜。

➣所制备的PVDF纤维膜显示出优异的过滤性能，其具有1020.7 L·m-2·h-1的高通量，96.7％的颗粒截留率（将平均粒径为50μm的SiO2水分散体作为进料溶液时）。此外，还研究了孔几何形状（矩形的长宽比）对膜结构和过滤性能的影响。

➣当长宽比从1:1增加到2:1时，水通量几乎提高了75.5％，同时颗粒截留率稳定在95％以上。更重要的是，利用AutoCAD中不同预设参数设计的膜，可以对不同粒径的微粒进行筛分和分离。

DOI:10.1016/j.memsci.2020.118709

4.Nanoscale： 超低电压！近场静电纺丝制造超细PAN基碳纳米纤维

➣大连理工大学机械学院刘冲教授展示了一种新的近场静电纺丝方法，通过在超低电压下工作来制造更薄的PAN聚合纳米纤维。随后，这些较细的聚合物纤维在新的碳化过程中进行热解，形成了超细碳纤维（细至4 nm）。

➣聚丙烯腈油墨的导电性、喷射器针尖上液滴的接触和缩回模式、用于喷射启动的旋转滚筒以及严格控制油墨流量和液滴形状的多孔纸，使得能够在35 V的超低电压（远低于当前低压NFES）实验中连续近场静电纺丝。

➣为了增加并经受住热解过程中的细化，在相对较低的温度（115°C）下进行PAN稳定化处理，并采用碳支撑支架，以提供适量的悬浮聚合物纳米纤维张力。

DOI: 10.1039/D0NR00031K

5.J. Membr. Sci.：近场静电纺丝法制备具有规则几何孔结构的新型PTFE膜及其应用研究

➣采用近场静电纺丝（NFES）方法制备了具有规则几何孔结构的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜。

➣首先，利用计算机辅助设计（CAD）对膜的孔几何形状（三角形、菱形、正方形、六边形及其不同尺寸）进行了设计。其次，将PTFE乳液与载体（PVA水溶液）组成的PTFE纺丝液电纺成具有规则几何孔结构的新生PTFE/PVA膜。最后，对新生膜进行烧结处理，得到NFES-PTFE膜。

➣当PTFE/PVA质量比为6:1，在380℃烧结，随后在马弗炉中冷却时，方形膜具有良好的膜性能及综合性能。

➣采用不同孔径的PTFE膜对不同粒径（1、5、10、20μm）的混合二氧化硅（SiO2）进行连续分离，截留率达82.0%。

DOI:10.1016/j.memsci.2020.118014