摘要：在现代材料科学与工程领域，纺丝技术堪称关键枢纽，深度渗透于各个行业。从贴近肌肤的衣物面料，到守护健康的医用敷料、净化空气的过滤装置，再到推动能源革新的关键部件，都离不开纺丝工艺的精妙塑造。这项技术以将原料转化为纤维为核心，为多样化材料的制备奠定基础。
在现代材料科学与工程领域，纺丝技术堪称关键枢纽，深度渗透于各个行业。从贴近肌肤的衣物面料，到守护健康的医用敷料、净化空气的过滤装置，再到推动能源革新的关键部件，都离不开纺丝工艺的精妙塑造。这项技术以将原料转化为纤维为核心，为多样化材料的制备奠定基础。
随着科技迭代，纺丝方法推陈出新，熔融纺丝、溶液纺丝与静电纺丝作为三种典型技术备受瞩目。其中，静电纺丝凭借其独特优势，在纳米纤维制备领域展现出巨大潜力，正逐渐成为推动材料科学发展的重要力量。接下来，让我们深入探究静电纺丝的奥秘与应用。
“静电纺丝”这一术语，源于英文中的“electrospinning”，或更早之前的“electrostatic spinning”。在国内，这一技术常被简称为“静电纺”或“电纺”。
1934年，基于静电雾化技术的研究成果，Formalas发明了一种利用静电力制备聚合物纤维的实验装置，并申请了专利。该装置详细描述了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次关于利用高压静电制备纤维的详尽记载，标志着静电纺丝技术的诞生。
随后，1964年Taylor提出了一个重要理论，指出液体在电场力作用下主要受到电场力和表面张力的影响，并阐述了泰勒锥的形成。而在1966年，Simons在其专利中介绍了制备超细无纺布的静电纺丝设备，并发现了粘度与纤维形态之间的关联：粘度高时纤维连续，粘度低时纤维短细。
进入20世纪末，美国阿克隆大学的Reneker对溶液静电纺丝进行了深入的系统研究，成功制备出聚合物纳米纤维，进一步推动了该领域的发展。
21世纪以来，随着纳米技术的迅猛发展，静电纺丝技术也获得了空前的关注。世界各国的科研人员和工业界纷纷投身于这一技术的研究与应用中，对多种聚合物进行了可纺性探索和工艺参数的优化，同时在装置批量化生产和应用方面也取得了显著进展。
静电纺丝纤维是通过静电纺丝技术将聚合物溶液或熔体在高电场作用下拉伸成细纤维的产物。该过程通过在电场作用下，将溶液或熔体喷射到接收板上，纺制出形态规则或无规则的纤维。由于纤维直径极其微小，通常在纳米至微米级别，因此具有非常高的比表面积、极高的孔隙率和较好的可调性。这些特性使得静电纺丝纤维在过滤、医疗、能源等多个领域具有独特的优势。
静电纺丝示意图
目前全球主流生产商对外提供的静电纺丝纤维产品，多是膜状形式的产品。
静电纺丝核心机制
1. 泰勒锥形成：带电荷的高分子溶液在针头处受电场力作用形成圆锥形液滴（泰勒锥），当电场力克服表面张力时，射流从锥顶喷出
2. 射流拉伸与固化：射流在电场中加速拉伸，溶剂挥发或熔体冷却后形成固态纤维，直径通常为数十纳米至数微米
3. 纤维收集：通过调整接收器形状（如平面、旋转滚筒或圆盘），可制备无纺布、定向纤维或三维网状结构
通过静电纺丝制成的纤维膜拥有高比表面积、孔隙率及三维网状结构可模拟细胞外基质（ECM），在组织工程中具有天然适配性。
静电纺丝装置示意图
静电纺丝纤维行业目前现状分析
静电纺丝纤维发展趋势
全球静电纺丝纤维总体规模分析
2023年全球静电纺丝纤维市场规模为1.64亿美元，伴随着下游行业的需求的稳定增长，预计2030年静电纺丝纤维市场规模将达到2.43亿美元，2024-2030年复合年增长率为6.38%。
静电纺丝纤维市场可以根据生产工艺进行分类，其中溶液静电纺丝是静电纺丝最常见的工艺类型，2023年占据全球市场收入的98.37%。
在各类应用中，过滤材料的需求占比最大，2023年占全球收入的63.31%。此外，静电纺丝纤维在服装领域的增速较快，尤其是在中国市场，将助推行业发展。
静电纺丝工艺基本原理
静电纺丝是在高压电场作用下，使聚合物溶液或熔体形成射流并固化成纤维的过程。其核心在于通过电场力克服液体表面张力，形成细流并最终得到纳米级或微米级的纤维。
电磁加热辊在静电纺丝中的应用场景
在纤维成型加工过程中，有两个阶段要完成。第一个阶段是纺丝加工后的未拉伸丝，需平衡若干小时再去拉伸。这一平衡过程使湿度和水分导致的初生纤维结构变化达到某一水平。第二个阶段是拉伸后的湿热平衡过程，由于纤维在拉伸加工中会产生新的应力不均匀和新的结构缺陷，以致在一般实际应用温度下表现极强的形状不稳定，因此拉伸纤维需经热处理过程达到一个新的稳定平衡，其过程通常称为热定型。在这一过程中如果能得到适当的结晶和取向度,就能明显改善纤维的力学性能。
静电纺丝中应用到的小型导丝辊，采用常规的加热方式很难达到温度的精确性及温度控制的及时响应，会存在温度控制不准及集中滞后的问题。
采用电磁加热辊，能够解决现有静电纺丝中存在的工艺温度稳定性的问题，为高精密的丝线纤维提供有效保障。
用于熔体静电纺丝：对于熔体静电纺丝，电磁加热辊可集成于纺丝设备的熔体输送系统或纤维成型区域。在熔体输送过程中，通过电磁加热辊对聚合物熔体进行预热和保温，确保熔体在进入喷丝孔前具有稳定的温度和粘度，避免因熔体温度波动导致的纺丝中断或纤维粗细不均问题。在纤维成型阶段，电磁加热辊可对初生纤维进行适度加热，改善纤维的结晶行为，提高纤维的强度和模量。
用于调节纤维性能：在溶液静电纺丝中，电磁加热辊可安装于纤维接收装置处，对刚成型的纤维进行二次加热处理。通过精确控制辊体温度，加速纤维表面溶剂的挥发，减少纤维内部残留溶剂，从而提高纤维的致密性和力学性能。同时，均匀的加热环境有助于避免因温度不均导致的纤维直径波动和表面缺陷，使纤维直径更加均匀，表面更加光滑平整。
用于特定材料体系：对于一些具有特殊性能要求的材料，如热塑性弹性体、半结晶聚合物等，使用加热辊可以更好地控制纺丝过程和纤维性能。
静电纺丝技术在锂离子电池中的核心应用
Web of Science数据库2015-2024年关于锂基电池用电纺纳米纤维的研究文章数
1. 负极材料的创新设计
传统硅基负极因体积膨胀和低电导率问题限制了其应用，而静电纺丝技术通过包覆和复合策略有效解决了这些瓶颈。例如硅基复合负极：
1.1 硅/碳复合纤维
•碳包覆硅纳米颗粒纤维（通过静电纺丝将硅颗粒嵌入碳基质中）。
•硅核-碳壳纤维（利用同轴静电纺丝技术制备核壳结构）。
1.2 硅/聚合物复合纤维
•硅与聚丙烯腈（PAN）复合纤维（静电纺丝后碳化形成导电碳纤维网络）。
•硅与聚乙烯醇（PVA）复合纤维（通过静电纺丝构建柔性缓冲基质）。
1.3多孔/中空结构硅基纤维
•多孔硅碳复合纤维（静电纺丝结合模板法或相分离形成多孔结构）。
•中空硅基纤维（通过静电纺丝和选择性刻蚀工艺实现）。
1.4硅/金属氧化物复合纤维
硅与TiO₂、SnO₂等复合纤维（静电纺丝结合溶胶-凝胶法增强稳定性）。
1.5导电聚合物修饰纤维
聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）包覆硅纤维（通过静电纺丝集成导电聚合物层）。
1.6 柔性电极制备
自支撑硅基纤维膜（直接通过静电纺丝制备无需粘结剂的电极）。
1.7 梯度功能化纤维
成分/孔隙率梯度纤维（通过多针头静电纺丝调控纤维内部结构）。
2. 正极材料的结构优化
静电纺丝在正极材料中的应用虽起步较晚，但已展现出独特优势：
2.1 纳米纤维网络增强导电性
•导电碳纤维包覆正极材料：通过静电纺丝将正极活性物质（如LiFePO₄、LiCoO₂、NCM）嵌入碳纳米纤维网络，显著提升电极整体导电性。
•金属氧化物/碳复合纤维（如MnO₂@C、V₂O₅@C）：利用静电纺丝制备高导电碳基纤维骨架，缓解正极材料的本征低电导率问题。
2.2多孔/分级结构设计
•多孔正极纤维膜：通过静电纺丝结合模板法或相分离工艺，制备多孔纤维结构（如多孔LiMn₂O₄纤维），增大比表面积，促进电解液浸润和锂离子扩散。
•中空纤维结构：利用同轴静电纺丝技术制备中空正极纤维（如中空LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂纤维），缓解体积膨胀并缩短离子传输路径。
2.3核壳结构复合正极
•活性物质核-导电壳结构（如LiFePO₄@C、NCM@PANI）：通过同轴静电纺丝技术实现核壳结构，导电外壳（碳、导电聚合物）保护正极材料并提升界面稳定性。
•梯度成分核壳纤维：调控静电纺丝参数，实现成分梯度分布（如富镍层到富锰层），抑制相变和结构坍塌。
2.4柔性自支撑正极膜
•无粘结剂正极电极：直接通过静电纺丝制备自支撑纤维膜（如LiCoO₂/CNT复合纤维膜），避免传统电极中粘结剂和导电剂的副作用，提升能量密度。
•柔性电池应用：静电纺丝纤维膜的高柔韧性适用于可穿戴设备中的柔性锂电池。
2.5 复合功能化改性
•金属/碳共修饰纤维：静电纺丝结合后续退火工艺，在正极纤维中引入金属纳米颗粒（如Ag、Cu）或氮掺杂碳，增强催化活性和界面电荷转移。
•固态电解质复合正极：通过静电纺丝将固态电解质（如LLZO、LATP）与正极材料复合，优化固-固界面接触，提升全固态电池性能。
2.6高电压/高容量正极材料优化
•高压钴酸锂（LiCoO₂）纤维：通过静电纺丝调控纤维形貌（如纳米片组装纤维），抑制高压下的结构相变和钴溶解。
•富锂锰基正极（Li-rich NCM）：静电纺丝制备多孔纤维结构，缓解氧释放和电压衰减问题。
3. 其他关键组件的应用
•固态电解质：静电纺丝制备的凝胶聚合物电解质（如PVDF基材料）通过调控纤维网络结构，平衡离子电导率与机械强度，推动固态电池发展。
•柔性电池设计：静电纺丝纳米纤维膜的高柔韧性和可拉伸性，使其成为可穿戴设备用柔性电池的理想基材。
未来，随着多尺度结构设计、智能材料开发和绿色工艺的突破，静电纺丝技术有望推动锂离子电池向高能量密度、高安全性和环境友好方向迈进，为新能源汽车和储能产业注入新动力。
文章来源：微迈科技、QYResearch、上海联净、瓴就医疗、纳米纤维及其应用、四川致研
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来源：联净自动化