靜電紡絲設備簡單、可擴展性強，以及靜電紡絲納米纖維(ESNFs)的應用較廣泛，因此，靜電紡絲是過去 30 年使用最廣泛的納米制造技術之一。新加坡國立大學Seeram Ramakrishna等人發表綜述，詳細論述了三十年來靜電紡絲產品研究、創新和設計。首先簡要討論了納米纖維的學術、工業和市場分析及其制備技術，然后簡要討論了靜電紡絲技術的發展。介紹了一些早期商業化的ESNFs產品，并對影響纖維形態和直徑的關鍵實驗參數進行了綜述。本文還討論了ESNFs在不同領域的性能，以突出它們的優點，并指出和討論了在各個領域中ESNFs商業化案例。此外，還對靜電紡絲裝置工程進行了綜述，以提高生產效率。作者設想ESNFs在電子應用中的形式可以是可編織的紗線/線；并對靜電紡紗生產工藝進行了探討。最后，展望了未來靜電紡絲產業的發展前景和面臨的挑戰，為今后靜電紡絲技術和ESNFs產品的研發提供了重要方向。相關研究內容以“Electrospinning research and products: The road and the way forward”為題目發表于期刊《Applied Physics Reviews》上。
學術界vs產業vs市場
隨著納米技術在先進技術中發揮的重要作用，靜電紡絲在學術界和工程界都受到了極大的關注，特別是由于其具有大規模合成納米纖維的能力。由于ESNFs的特點，ESNFs應用于多個領域，包括生物醫學、工業(空氣/水過濾)、能源(儲存、收獲、轉化)、環境應用、農業、空間探索和基于納米纖維的紗線。圖1(a)總結了八種不同的納米制造技術的優勢，顯示了靜電紡絲、離心紡絲和溶液吹紡在卷對卷生產中的優勢。其中，靜電紡絲具有最大的通用性，可用多種材料制備出高產量的納米纖維，但由于使用揮發性有機溶劑，其可持續性較差。2021年6月11日從Scopus數據庫獲得的搜索結果顯示，使用“electrospun and nanofibers or electrospinning”為關鍵詞的ESNFs發表了近120 800篇論文，共有5775項專利。
圖1. (a) 不同納米加工技術的化學和物理路線。從 Scopus 數據庫獲得的電紡納米纖維和行業出版物的進展。(b) 2000-2020 年靜電紡絲時間跨度的出版物分布的世界地圖和 (c) 關于靜電紡絲納米纖維的出版物類型。(d) 餅圖顯示了三個主要領域的靜電紡絲出版物數量。
“Research and markets”發布的數據顯示，到2021年，全球納米纖維市場預計將超過10億美元到2025年達到72億美元。預計未來十年全球納米纖維市場將顯著增長，工業生產和實驗室研究的靜電紡絲市場預計將實現大幅增長，這主要得益于 ESNF 的顯著優勢及其在各個工業領域的潛在應用。在先進制造納米技術工具的推動下，日本、美國、中國、加拿大、法國和澳大利亞等國家的多家公司正在開展納米纖維的商業化前試驗。納米纖維市場可以根據材料和應用進行分類。在應用方面，納米纖維市場可分為消費品、工業（空氣過濾）、電子、國防與安全、生命科學與制藥、能源、化學與環境等。其中，生命科學與制藥和工業（空氣過濾）行業將繼續在納米纖維市場占據主導地位，更多非商業化產品將進入臨床試驗階段。毫無疑問，ESNFs 產品和靜電紡絲方法的持續蓬勃的發展將刺激對此類產品的持續需求。
圖2 將靜電紡絲從單針靜電紡絲擴展到多針工業靜電紡絲裝置。
圖3 靜電紡納米纖維在能源轉換和儲存、生物醫學、工業過濾、復合材料和智能材料中的應用原理圖。
空氣過濾
2019冠狀病毒病(COVID-19)大流行的爆發引發了全球衛生擔憂和口罩短缺，同時為靜電紡絲研究和行業的增長創造了巨大機遇。ESNFs由于其獨特的多功能特性，特別是其精細調節的孔徑和納米級直徑，具有大規模生產能力，已成為防護過濾材料的研究熱點。ESNFs可以輕松吸收和過濾亞微米級的灰塵顆粒、細菌或病毒。盡管有這些有前景的工作，但在生產具有優良抗菌性能的天然、可生物降解口罩方面的努力仍然不夠。ESNFs的下一步主要研究方向是不斷開發既能阻斷病毒、細菌和神經毒劑，又能通過納米纖維網中嵌入的活性物質將其分解的過濾口罩。
圖4 (A)不同膜的ESNFs從空氣中去除細顆粒的機理示意圖。(B) 靜電紡絲制備PAN/TBAC ESNFs。(C)由PAN/PAA ESNFs組成的褶皺多孔PI纖維墊的制備示意圖，以及(D)所研制的褶皺多孔ESNFs濾膜的過濾機理示意圖。(E) (a)用于制備PS/PVDF ESNFs纖維膜的靜電紡絲原理圖，(b) PS和PVDF ESNFs膜之間的電效應示意圖，(c)制備的PS/PVDF ESNFs濾膜的SEM圖像，(d)以PS/PVDF纖維膜為芯材制備的N-95口罩。
生物醫學應用
在過去的30年里，靜電紡絲技術被用于生產納米纖維生物醫學支架，其成分可控、定向(隨機或取向)、結構(孔隙、空心、溝槽、芯鞘等)、功能和成分可控。由于其結構(如纖維結構的3D網絡)和直徑超小(50 - 500 nm)，類似于細胞外基質中的膠原纖維，ESNFs在組織工程、再生醫學、控釋藥物傳遞和生物傳感器中發揮重要作用。靜電紡絲法研究納米纖維支架在生物醫學上的應用不僅局限于學術界。事實上，它的實際應用和潛在的商業化已經實現。
圖5 (A)靜電紡絲和紫外光交聯制備GelMA ESNFs非織造氈的示意圖，并將其應用于傷口床以促進皮膚再生。(B)雙極納米纖維膜應用示意圖。(C)利用靜電紡絲PLLA/RhB制備ESNFs。
可穿戴和柔性電子產品
可穿戴和可拉伸電子產品因其將機械變形轉化為電信號受到廣泛關注，并廣泛應用于人機交互、軟機器人、人體運動監測，以及健康監測。ESNFs 具有超柔韌性、可拉伸性、高表面積、豐富的功能性和輕便性，這使得它們有利于可穿戴電子應用。然而，要充分利用所有這些優勢，可穿戴/軟電子產品需要從可織造紗線開發，從而初步建立紗線生產行業。
圖6 (A)汗腺結構、生物標記物分泌、可穿戴式汗液尿酸檢測生物傳感器示意圖。(B) PAN ESNFs的SEM圖像(a) - (c)用于可穿戴電化學生物傳感器，以及(d)用于實際應用的可穿戴生物傳感器整合地附著在人體不同部位的演示照片。
為了將這些靜電紡絲纖維作為鋰離子電池的儲能材料和隔膜進行商業化，一些初創公司已經啟動。日本Hirose公司采用靜電紡絲技術合成ESNFs無紡織物。這種織物在醫療、過濾器、食品包裝、印刷材料和電池隔板等方面具有廣泛的應用前景。為了上述的應用，該公司已經將幾種基于聚酯、聚烯烴、聚苯硫醚和維尼龍的濕法ESNFs非織造布商業化。其他初創公司，如Cella Energy利用靜電紡絲技術合成聚合物隔膜，以實現低成本的氫存儲。這些商業化的靜電紡絲產品，以及上述用于儲能應用的商業化靜電紡絲纖維的嘗試，證明了靜電紡絲從實驗室向商業應用的發展。
圖7 (a) 在鎳織物上制備電紡碳納米網的示意圖。(b) 通過靜電紡絲制備 PNF/NiC 同軸纖維的示意圖。(c) 可穿戴 NCY 纖維基超級電容器的靜電紡絲程序示意圖。(d) 靜電紡絲 PET/MXene 復合材料的制備示意圖。
電紡絲產業的發展前景和面臨的挑戰
過濾行業
盡管據信 COVID-19 大流行已進入流行階段，但據信隨著新變種的出現，對口罩的需求仍將保持在較高水平。隨著病毒在空氣中傳播，對空氣過濾效率更高的口罩（N95 代替外科口罩）的需求仍在增長。預計市場將呈現出以更低成本生產高效口罩的趨勢。除了空氣過濾之外，飲用水短缺一直是許多地區的緊迫問題，中東國家目前專注于花費數百萬美元開發海水淡化廠。因此，電紡水過濾膜也可能成為下一個研究重點。
生物醫藥行業
靜電紡絲在醫學領域的作用是不可否認的，其市場價值有望在未來幾年上升。ESNFs膜的主要問題之一是在靜電紡絲過程中使用有毒有機溶劑。從可再生資源，如纖維素，轉向采用靜電紡成的納米纖維氈，以確保其在使用壽命結束時的可生物降解性，這是一個巨大的趨勢。然而，纖維素只能溶解在指定的溶劑中(例如醋酸、丙酮等)，如果不能完全去除溶劑，這可能是危險的，并帶來不好的用戶體驗。除此之外，在靜電紡絲前使用有機溶劑溶解聚合物也造成了巨大的浪費和揮發性有機化合物的釋放，對處理紡絲過程的操作人員造成了潛在的危害。
熔融紡絲技術代替了傳統的溶液靜電紡絲技術，解決了與溶劑有關的缺點。然而，與傳統的溶液靜電紡絲相比，由于生產率較低，熔體紡絲技術的生產成本可能是限制其在行業中廣泛采用的另一個缺點。作者還提到，重點還應放在開發用于直接/原位創面敷料的有效靜電紡絲設備上，這樣可以生產無感染的電紡膜。
靜電紡絲中的人工智能
靜電紡絲行業需要向智能制造邁進，順應工業革命4.0。不可否認，目前對靜電紡絲的研究和開發工作主要集中在為特定應用合成具有有趣特性的納米材料，生產過程完全由操作員控制。將靜電紡絲與人工智能相結合將使機器能夠估計液體射流的特性（直徑、形態、表面特性等）并操縱紡絲參數以提高 ESNF 質量的一致性，這種集成將使靜電紡絲過程完全自動化。但是，這需要對靜電紡絲過程中納米纖維的形成機制進行更多的理論研究。
論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0077959
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