一、研究背景

纳米材料的结构组分的尺寸范围约为1 - 100nm，这种极小的尺寸所产生的小尺寸效应、表面界面效应、量子效应和隧道效应使其具有与宏观材料（即块状材料）完全不同的各种特性。其中，纳米纤维（通常称为聚合物纳米纤维）作为一维（1D）纳米材料，具有高纵横比、大比表面积、高表面自由能、高分子链取向、高结晶度以及良好的力学性能（包括高模量、高韧性、高抗拉强度）等特点。纳米纤维作为纳米材料的杰出代表，在过滤、绝缘、降噪等领域有着广泛的应用。它们的制备方法包括拉伸成纤维、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等。

利用静电纺丝设备是制备聚合物纳米纤维及其薄膜的最有效、大规模和低成本的方法，它利用静电力生产直径从纳米到微米不等的聚合物纤维。从历史上看，静电纺丝技术可以追溯到1882年Raleigh等人对液滴在电场中的不稳定性的研究，以及1915年Taylor等人对液滴和带电纤维束在电场中的碎裂的研究。真正的静电纺丝技术始于1934年福尔哈尔斯的专利，该专利用于使用静电场制备聚合物长丝的工艺和设备。随着纳米技术的发展，其大规模应用始于20世纪90年代。其具体方式主要有针纺纱（包括单针和多针）、无针纺纱和气泡纺纱。在静电纺丝工艺中，需要先制备聚合物溶液，然后置于强电场中。在特定场强（即临界场强）下，球形液滴将被拉伸成一个锥体（称为“泰勒锥体”）。当带电荷的射流从锥体喷射出来时，由于锥体的不稳定性，锥体会延伸成一条直线。在这一点上，射流将被拉伸成一条更细的直线并固化，沉积在收集板上并成为纳米纤维。

与普通纤维布相比，静电纺纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙小、孔隙率高、重量轻、厚度超低、力学性能灵活等优点。因此，在过滤、能源、催化、环保、服装、组织工程等领域具有良好的应用前景。静电纺丝还可以方便地调节所得到的纳米纤维的形态。例如，卷曲是纤维结构的一种重要形式，可以提高纤维的柔韧性、弹性和空间可扩展性。Xiong等人提出了通过一步静电纺丝形成连续自卷曲纳米纤维的策略，发现沉积在羊毛基片上的静电纺PS纤维的卷曲是由基片与纤维之间的直径、介电常数、电导率和间隙宽度的综合差异引起的（如图1）。相应的理论也得到了实验验证。这种自卷曲纳米纤维可用于水传导、绝缘和功能载体等领域。

二、摘要

纳米材料被誉为21世纪最具发展前景的材料，其中纳米纤维以其高纵横比、高比表面积、高分子取向、高结晶度、优异的力学性能等诸多优点成为学术界和工业界研究开发的热点。静电纺丝技术具有可控性、通用性、成本低、操作简单等优点，是制备纳米纤维及其薄膜的重要方法。在静电纺丝聚合物溶液中加入陶瓷、金属、碳材料等纳米填料制备复合材料，可以进一步提高纳米纤维及其薄膜的机械强度和多功能，为其广泛应用提供了可能。基于高分子复合纳米纤维领域的快速发展，本文以聚氨酯（PU）基复合纳米纤维为主要代表，综述了其在吸声材料、生物医学材料（包括组织工程植入物、给药系统、伤口敷料等抗菌材料、卫生材料等）、可穿戴传感器件和能量采集器、吸附材料、电磁屏蔽材料、增强材料。最后，总结了它们之间的性能应用关系，并对未来的发展进行了展望。以期为相关领域的进一步发展提供一些实践经验和理论指导。

三、结论

纳米纤维作为21世纪最具发展前景的纳米材料之一，因其众多优异的性能而成为研究和开发的热点，而利用静电纺丝设备是纳米纤维及其薄膜的主要制备方法。静电纺丝与纳米复合技术的结合，可以进一步提高纳米纤维及其薄膜的机械强度和多功能性。本文以pu基复合纳米纤维为代表，综述了其在吸声材料、生物医学材料、可穿戴传感器件和能量收集器件、吸附材料、电磁屏蔽材料和增强材料等领域的最新实际应用。

虽然这篇综述涵盖了电纺纳米纤维的大多数重要应用，但仍有一些潜在的重要未来应用尚未解决。据我们所知，随着静电纺纳米纤维膜性能的进一步提高，它可以用作电解质过滤膜、表面柔软手感材料、表面超黑材料等。

图1.在羊毛纤维基底上沉积自卷曲静电纺丝纤维的总体制备过程示意图，包括纺丝方法、组合形式和纤维形态。

图2.由回收瓶子废料制成的PET非织造布(a)和PU纳米纤维膜增强非织造布(b)的照片。

图3.多层复合纳米纤维膜的制备工艺示意图。

图4.TPU/CNT/PDMS复合纳米纤维的制备示意图：TPU纳米纤维(a)、TPU/CNT复合纳米纤维(b)和TPU/CNT/PDMS复合纳米纤维(c)