静电纺丝设备简单、可扩展性强，以及静电纺丝纳米纤维(ESNFs)的应用较广泛，因此，静电纺丝是过去 30 年使用最广泛的纳米制造技术之一。新加坡国立大学Seeram Ramakrishna等人发表综述，详细论述了三十年来静电纺丝产品研究、创新和设计。首先简要讨论了纳米纤维的学术、工业和市场分析及其制备技术，然后简要讨论了静电纺丝技术的发展。介绍了一些早期商业化的ESNFs产品，并对影响纤维形态和直径的关键实验参数进行了综述。本文还讨论了ESNFs在不同领域的性能，以突出它们的优点，并指出和讨论了在各个领域中ESNFs商业化案例。此外，还对静电纺丝装置工程进行了综述，以提高生产效率。作者设想ESNFs在电子应用中的形式可以是可编织的纱线/线；并对静电纺纱生产工艺进行了探讨。最后，展望了未来静电纺丝产业的发展前景和面临的挑战，为今后静电纺丝技术和ESNFs产品的研发提供了重要方向。相关研究内容以“Electrospinning research and products: The road and the way forward”为题目发表于期刊《Applied Physics Reviews》上。
学术界vs产业vs市场
随着纳米技术在先进技术中发挥的重要作用，静电纺丝在学术界和工程界都受到了极大的关注，特别是由于其具有大规模合成纳米纤维的能力。由于ESNFs的特点，ESNFs应用于多个领域，包括生物医学、工业(空气/水过滤)、能源(储存、收获、转化)、环境应用、农业、空间探索和基于纳米纤维的纱线。图1(a)总结了八种不同的纳米制造技术的优势，显示了静电纺丝、离心纺丝和溶液吹纺在卷对卷生产中的优势。其中，静电纺丝具有最大的通用性，可用多种材料制备出高产量的纳米纤维，但由于使用挥发性有机溶剂，其可持续性较差。2021年6月11日从Scopus数据库获得的搜索结果显示，使用“electrospun and nanofibers or electrospinning”为关键词的ESNFs发表了近120 800篇论文，共有5775项专利。
图1. (a) 不同纳米加工技术的化学和物理路线。从 Scopus 数据库获得的电纺纳米纤维和行业出版物的进展。(b) 2000-2020 年静电纺丝时间跨度的出版物分布的世界地图和 (c) 关于静电纺丝纳米纤维的出版物类型。(d) 饼图显示了三个主要领域的静电纺丝出版物数量。
“Research and markets”发布的数据显示，到2021年，全球纳米纤维市场预计将超过10亿美元到2025年达到72亿美元。预计未来十年全球纳米纤维市场将显着增长，工业生产和实验室研究的静电纺丝市场预计将实现大幅增长，这主要得益于 ESNF 的显著优势及其在各个工业领域的潜在应用。在先进制造纳米技术工具的推动下，日本、美国、中国、加拿大、法国和澳大利亚等国家的多家公司正在开展纳米纤维的商业化前试验。纳米纤维市场可以根据材料和应用进行分类。在应用方面，纳米纤维市场可分为消费品、工业（空气过滤）、电子、国防与安全、生命科学与制药、能源、化学与环境等。其中，生命科学与制药和工业（空气过滤）行业将继续在纳米纤维市场占据主导地位，更多非商业化产品将进入临床试验阶段。毫无疑问，ESNFs 产品和静电纺丝方法的持续蓬勃的发展将刺激对此类产品的持续需求。
图2 将静电纺丝从单针静电纺丝扩展到多针工业静电纺丝装置。
图3 静电纺纳米纤维在能源转换和储存、生物医学、工业过滤、复合材料和智能材料中的应用原理图。
空气过滤
2019冠状病毒病(COVID-19)大流行的爆发引发了全球卫生担忧和口罩短缺，同时为静电纺丝研究和行业的增长创造了巨大机遇。ESNFs由于其独特的多功能特性，特别是其精细调节的孔径和纳米级直径，具有大规模生产能力，已成为防护过滤材料的研究热点。ESNFs可以轻松吸收和过滤亚微米级的灰尘颗粒、细菌或病毒。尽管有这些有前景的工作，但在生产具有优良抗菌性能的天然、可生物降解口罩方面的努力仍然不够。ESNFs的下一步主要研究方向是不断开发既能阻断病毒、细菌和神经毒剂，又能通过纳米纤维网中嵌入的活性物质将其分解的过滤口罩。
图4 (A)不同膜的ESNFs从空气中去除细颗粒的机理示意图。(B) 静电纺丝制备PAN/TBAC ESNFs。(C)由PAN/PAA ESNFs组成的褶皱多孔PI纤维垫的制备示意图，以及(D)所研制的褶皱多孔ESNFs滤膜的过滤机理示意图。(E) (a)用于制备PS/PVDF ESNFs纤维膜的静电纺丝原理图，(b) PS和PVDF ESNFs膜之间的电效应示意图，(c)制备的PS/PVDF ESNFs滤膜的SEM图像，(d)以PS/PVDF纤维膜为芯材制备的N-95口罩。
生物医学应用
在过去的30年里，静电纺丝技术被用于生产纳米纤维生物医学支架，其成分可控、定向(随机或取向)、结构(孔隙、空心、沟槽、芯鞘等)、功能和成分可控。由于其结构(如纤维结构的3D网络)和直径超小(50 - 500 nm)，类似于细胞外基质中的胶原纤维，ESNFs在组织工程、再生医学、控释药物传递和生物传感器中发挥重要作用。静电纺丝法研究纳米纤维支架在生物医学上的应用不仅局限于学术界。事实上，它的实际应用和潜在的商业化已经实现。
图5 (A)静电纺丝和紫外光交联制备GelMA ESNFs非织造毡的示意图，并将其应用于伤口床以促进皮肤再生。(B)双极纳米纤维膜应用示意图。(C)利用静电纺丝PLLA/RhB制备ESNFs。
可穿戴和柔性电子产品
可穿戴和可拉伸电子产品因其将机械变形转化为电信号受到广泛关注，并广泛应用于人机交互、软机器人、人体运动监测，以及健康监测。ESNFs 具有超柔韧性、可拉伸性、高表面积、丰富的功能性和轻便性，这使得它们有利于可穿戴电子应用。然而，要充分利用所有这些优势，可穿戴/软电子产品需要从可织造纱线开发，从而初步建立纱线生产行业。
图6 (A)汗腺结构、生物标记物分泌、可穿戴式汗液尿酸检测生物传感器示意图。(B) PAN ESNFs的SEM图像(a) - (c)用于可穿戴电化学生物传感器，以及(d)用于实际应用的可穿戴生物传感器整合地附着在人体不同部位的演示照片。
为了将这些静电纺丝纤维作为锂离子电池的储能材料和隔膜进行商业化，一些初创公司已经启动。日本Hirose公司采用静电纺丝技术合成ESNFs无纺织物。这种织物在医疗、过滤器、食品包装、印刷材料和电池隔板等方面具有广泛的应用前景。为了上述的应用，该公司已经将几种基于聚酯、聚烯烃、聚苯硫醚和维尼龙的湿法ESNFs非织造布商业化。其他初创公司，如Cella Energy利用静电纺丝技术合成聚合物隔膜，以实现低成本的氢存储。这些商业化的静电纺丝产品，以及上述用于储能应用的商业化静电纺丝纤维的尝试，证明了静电纺丝从实验室向商业应用的发展。
图7 (a) 在镍织物上制备电纺碳纳米网的示意图。(b) 通过静电纺丝制备 PNF/NiC 同轴纤维的示意图。(c) 可穿戴 NCY 纤维基超级电容器的静电纺丝程序示意图。(d) 静电纺丝 PET/MXene 复合材料的制备示意图。
电纺丝产业的发展前景和面临的挑战
过滤行业
尽管据信 COVID-19 大流行已进入流行阶段，但据信随着新变种的出现，对口罩的需求仍将保持在较高水平。随着病毒在空气中传播，对空气过滤效率更高的口罩（N95 代替外科口罩）的需求仍在增长。预计市场将呈现出以更低成本生产高效口罩的趋势。除了空气过滤之外，饮用水短缺一直是许多地区的紧迫问题，中东国家目前专注于花费数百万美元开发海水淡化厂。因此，电纺水过滤膜也可能成为下一个研究重点。
生物医药行业
静电纺丝在医学领域的作用是不可否认的，其市场价值有望在未来几年上升。ESNFs膜的主要问题之一是在静电纺丝过程中使用有毒有机溶剂。从可再生资源，如纤维素，转向采用静电纺成的纳米纤维毡，以确保其在使用寿命结束时的可生物降解性，这是一个巨大的趋势。然而，纤维素只能溶解在指定的溶剂中(例如醋酸、丙酮等)，如果不能完全去除溶剂，这可能是危险的，并带来不好的用户体验。除此之外，在静电纺丝前使用有机溶剂溶解聚合物也造成了巨大的浪费和挥发性有机化合物的释放，对处理纺丝过程的操作人员造成了潜在的危害。
熔融纺丝技术代替了传统的溶液静电纺丝技术，解决了与溶剂有关的缺点。然而，与传统的溶液静电纺丝相比，由于生产率较低，熔体纺丝技术的生产成本可能是限制其在行业中广泛采用的另一个缺点。作者还提到，重点还应放在开发用于直接/原位创面敷料的有效静电纺丝设备上，这样可以生产无感染的电纺膜。
静电纺丝中的人工智能
静电纺丝行业需要向智能制造迈进，顺应工业革命4.0。不可否认，目前对静电纺丝的研究和开发工作主要集中在为特定应用合成具有有趣特性的纳米材料，生产过程完全由操作员控制。将静电纺丝与人工智能相结合将使机器能够估计液体射流的特性（直径、形态、表面特性等）并操纵纺丝参数以提高 ESNF 质量的一致性，这种集成将使静电纺丝过程完全自动化。但是，这需要对静电纺丝过程中纳米纤维的形成机制进行更多的理论研究。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0077959
