一、研究背景

纳米纤维材料因其非凡的优势而备受关注，这些优势可为各种应用带来诸多益处。由于材料与工作环境的相互作用发生在其表面，因此改善表面积可大大提高其工作性能。许多研究表明，纳米纤维材料的表面积远远大于块状或二维（片状）材料。与此同时，纳米纤维仍具有材料的物理特性。这些特性有助于材料在某些需要一定物理强度的应用中得到应用。

文献中提出了许多纳米纤维的制造方法，包括使用硬模板、软模板和自由模板。硬模板和软模板会向环境释放大量化学物质，而自由模板似乎更环保，在这种情况下，电纺丝是一种自由模板技术，它利用电场来制造聚合物和聚合物复合纳米纤维。这种技术需要的溶剂非常有限，用于将聚合物溶解到高粘度溶液中。在溶液中形成纤维形状后，溶剂被释放出来，使材料形成纳米纤维的形状。该工艺中使用的聚合物必须溶解在溶剂中，这就限制了可纺丝聚合物的选择。不过，现有的一些商用聚合物可以溶解在低沸点溶剂中，因此这种限制几乎可以忽略不计。

虽然静电纺丝生产设备电纺丝的机理很简单，但可以对系统的组件进行许多改进。因此，生产出的纳米纤维的形态可以有很大的改变。有报告描述了电纺纳米纤维的进一步处理过程。收集后的纳米纤维通常会一层一层地堆叠在一起，形成一层膜。它们可用作膜片，并构建成三维结构。另一方面，碳化可将大多数现有聚合物纳米纤维转化为碳纳米纤维（CNFs）。这些 CNFs 在电化学应用方面显示出巨大潜力，近年来越来越受到人们的关注。

在此，本手稿对电纺系统进行了深入评述。首先，介绍了对电纺丝系统的组件（电纺丝材料、喷嘴和收集器）所做的改动，以及对纳米纤维形状的影响。随后，介绍了电纺丝制造的纳米纤维的最新应用。纳米纤维的许多改性方法，包括冷冻干燥、沉积和热处理，都可以为许多先进应用获得合适的特性。

二、摘要

纳米纤维因其表面积大而备受关注。因此，人们提出了许多制造纳米纤维材料的方法。电纺丝是一种纺丝技术，可以利用电场连续、均匀地生成聚合物和复合纳米纤维。电纺丝系统的结构可以改变，从而改变纳米纤维的结构和排列。此外，还可以对纳米纤维进行处理，从而改变纳米纤维的结构。本文全面回顾了改变电纺丝系统配置的工作以及这些配置对纳米纤维的影响。此外，还介绍了在不同应用领域使用电纺纳米纤维的优秀作品。所研究的材料在其应用中发挥了有效作用，从而证明了静电纺丝生产设备电纺纳米纤维材料的未来发展潜力。

三、结论

静电纺丝生产设备电纺丝是一种制造纳米纤维的方法。虽然电纺丝工艺的材料通常是聚合物溶液，但通过对纳米纤维的处理和广泛的材料选择，可以生产出多种材料。迄今为止，电纺丝可提供的材料包括聚合物、聚合物复合材料、金属和金属氧化物纳米纤维。另一方面，电纺丝系统配置的改变会导致收集到的纳米纤维膜发生各种变化。首先，不仅使用特殊的喷嘴和收集器会改变电纺纳米纤维的形态，而且在单一电纺溶液中结合使用不同的溶剂和材料也会导致相同的结果。此外，对纳米纤维进行的后处理可以将其转化为不同的材料。特别是碳纳米纤维，其表面积因去除牺牲材料而大大增加，可从电纺纳米纤维的碳化过程中获得。其次，增加用于控制电场通路的额外部件，可以使纳米纤维按照设计的模式排列。总之，电纺丝法生产的纳米纤维在形态和排列方面没有限制，这为今后的进一步发展提供了可能。然而，电纺丝工艺的缺点是高度依赖于环境湿度和电源的稳定性，限制了该技术在特定条件下的使用。综述中还介绍了这些纳米纤维的应用。显然，电纺纳米纤维已被广泛应用，从吸音和空气净化等简单应用，到传感器、催化剂和能量存储等高度先进的应用。电纺丝方法在提供具有优异性能的材料方面具有巨大潜力，同时也提供了许多进一步改进的机会。

图1.标准电纺丝系统，包括一个注射泵、一个装有电纺丝溶液的注射器、一个钢制喷嘴、一个平面收集器和一个电源。

 

图2.(a) PVP/PAN 混合物的电纺丝过程，二者均溶于 DMF [52]。美国化学学会 2011 年版权所有。(b) 利用电纺丝形成含有 PMMA 多芯的 PAN 纳米纤维[53]。版权归 Wiley 2017 所有。(c) PVP 和 PS 的配比对电纺丝形成纳米纤维的影响 [54]。美国化学学会版权所有，2022 年。

 

图3.(a) 由 PAN 和 PMMA 嵌段共聚物制成的电纺纳米纤维[67]。Copyright 2019, Science. (b) 嵌段聚合物 PSS-b-P4DP 中 P4VP 部分对纳米纤维自组装结构的影响 [68]。版权 2007 年，英国皇家化学学会。(c) PDMS-b-P4VP，其表面张力在与 pH 值为 4 和 pH 值为 7 的水接触时发生变化[69]。美国化学学会 2016 年版权所有。

 

图4.(a) 碳与表面活性剂十二烷基磺酸钠填料复合的纳米纤维[81]。版权 2017 年，爱思唯尔。(b) 壳聚糖/聚（ε-己内酯）纳米纤维复合纳米纤维的制备，用于药物输送[82]。(c) 附着在碳纳米纤维上的 N 掺杂氧化锌结核含有 SnO2，这种特殊结构大大提高了催化剂的活性效率[83]。版权 2012 年，英国皇家化学学会。

 

图5.(a) 多孔 PVDF 纳米纤维，其多孔结构由混合溶剂（丙酮和 DMF）形成 [98]。Copyright 2018, Springer. (b）甲醇和 DMF 溶剂蒸发速度的差异形成了 SnO2 纳米纤维的管中管结构 [100]。版权归英国皇家化学学会 2017 年所有。(c) 加热速率对 Mn2O3/RuO2 管中管内管结构的影响[101]。美国化学学会 2016 年版权所有。