New Breakthrough in Electrospinning of

 Low Molecular Weight PVP

小分子，大纤维

“低分子量PVP静电纺丝的新突破”

静电纺丝（Electrospinning）是一种利用高压静电场将聚合物溶液拉成超细纤维的技术，就像用电把液滴拉成细丝，过程有点类似“蜘蛛吐丝”或“棉花糖机拉丝”。它的基本原理包括三部分：高压电源、注射针头和收集板。简单来说，聚合物溶液被注射泵挤出针头形成小液滴，高压施加在针头使液滴带电，当电压高到一定程度时，液滴被拉尖形成锥形（称为泰勒锥），从尖端喷出极细的带电射流；射流在飞向接地收集板的过程中被不断拉伸变细，溶剂快速挥发，最后固化成纳米级纤维堆积在收集板上。

通过调整电压、流速、针头到收集板距离等参数，可以控制纤维的直径和形貌，如避免出现“串珠”结构（纤维上附着的小球滴）。静电纺丝设备相对简单，但能制造出直径只有几十纳米到几微米的纤维网络，其直径比人类头发（约50~100微米）细数百倍。这种纳米纤维材料具有超高的比表面积和孔隙率，在生物医药（如组织工程支架、药物缓释载体、伤口敷料）、环境过滤（高效过滤膜）以及电子器件（电池隔膜、传感器）等领域都有重要应用

聚乙烯吡咯烷酮（简称PVP，又称聚维酮）是一种性能优异的合成聚合物。它水溶性好、无毒生物相容，还能形成柔韧的薄膜，这些特性让PVP在很多领域“大显身手”。在医药领域，PVP常被用作药片的黏合剂、药物缓释载体和稳定剂，也是创可贴消毒液“碘伏”中的关键成分（碘伏是碘与PVP的复合物，可缓释碘杀菌）；

在化妆品中，PVP用作增稠剂和成膜剂，让护肤品更稳定好用]；在食品和纺织等行业，PVP也有添加剂和整理剂等用途。值得一提的是，PVP还具有良好的介电性能（电绝缘性），因此在电子领域也受到关注，可用于制造柔性电子器件中的电介质层等。简而言之，PVP就像材料界的“多面手”，既安全可靠，又用途广泛。

既然PVP用途广泛，那么通过静电纺丝把PVP制成纳米纤维无疑很有价值。然而，PVP的分子量大小会显著影响静电纺丝的难易程度。我们可以用一个比喻来理解：高分子量的聚合物链就像一大把长面条，在溶液里容易缠成一团（产生足够的链缠结）；而低分子量的链则像短意面，长度不够就很难缠在一起。

在静电纺丝过程中，只有足够的链缠结和溶液粘度，射流才能被拉成长长的纤维，否则就会断裂成一串串“小珠子”。具体来说，当聚合物分子过短时，溶液的黏弹性不足以对抗液体的表面张力，结果纤维中会出现很多球状的小颗粒（俗称“串珠”）而非连续光滑的纤维。这些珠子就像在线上粘连的露珠，不仅破坏了纤维膜的均匀结构，还会削弱材料的机械强度和功能表现。

因此，大多数情况下，科研人员更偏爱用高分子量（如分子量130,000以上）的PVP来电纺，这样比较容易拉出连续纤维，且不容易出现珠子。但高分子量PVP纺出的纤维直径往往在微米级，对于一些需要纳米直径纤维的应用来说有局限。相反，如果能用低分子量PVP成功纺出纤维，有望获得更细的纳米纤维，从而提供更高的比表面积和独特性能，这对过滤、传感、药物递送等应用都可能带来提升。正因如此，研究人员希望攻克低分子量PVP电纺的难题。

这篇研究针对两种低分子量的PVP（分子量分别约10,000和55,000）展开实验，通过系统调整静电纺丝的各项参数，终于成功制备出了均匀的PVP纳米纤维。研究团队从溶液配方入手：选用易挥发的乙醇作溶剂，将PVP分别溶解配制成10%、30%、50%（质量百分比，wt%）等不同浓度的溶液。

他们发现，浓度是决定纺丝成败的关键因素之一：浓度过低（例如10%）时，无论怎么调电压和流速，收集到的几乎都是细小的粒子而非纤维。只有提高PVP浓度才能增加溶液黏度和分子链间的缠结概率。当浓度提升到30%-50%时，开始能纺出一些纤维，但仍能看到不少“串珠”附在纤维上。

继续提高浓度，在70%甚至80%这种超高浓度下（几乎像黏稠的糖浆），PVP_{10000}溶液终于纺出了光滑、无珠的纳米纤维。研究指出，80%浓度时纤维溶液的表面张力已被完全克服，黏弹性占据上风，使射流可以稳定拉伸不断。

除了浓度之外，电压和流速等工艺参数的优化也至关重要。实验中对比了15千伏到25千伏的电压和每小时0.5毫升 vs 1.0毫升的溶液流速。结果显示，在浓度一定的情况下，高一点的电压有助于减少串珠——因为更强的电场拉力可以更快地抽丝，防止液滴聚成小球。

例如，对于55,000分子量的PVP溶液，15kV时常出现珠粒，而升到20-25kV时纤维就更加顺滑。但是电压也不是越高越好，超过最佳值可能会由于过多溶液被喷出而使纤维反而变粗。流速方面，适当降低流速（让溶液慢慢被拉出）能让纤维有更多时间拉伸和干燥，从而得到更细更均匀的纤维。研究发现，在50%浓度的PVP_{10000}溶液下，流速从1.0降到0.5 mL/h可以显著提高纤维的密度和均一性；而对PVP_{55000}溶液，过高的流速则会导致纤维直径增加一半以上，并出现明显珠粒。

此外，研究还考察了针头内径（粗细）和针头到收集板的距离对纤维的影响。他们用更粗的针头（22号针，比常用的25号针直径大）和不同距离（12、14、16厘米）进行对比。粗针头意味着单位时间喷出的溶液更多，结果可能导致纤维变粗或出现带状结构，需要配合调整其它参数来平衡。距离方面，则存在一个最佳范围：太近时纤维来不及充分拉伸和干燥，容易导致粘连或珠粒；太远则电场力减弱，纤维可能变粗甚至无法稳定形成。实验结果表明，在本研究条件下14厘米左右的距离比较理想，能得到直径更细且无串珠的纤维。这些参数优化综合起来，就像精心调整烘焙配方的比例，最终使短链的PVP也能“吐”出连续均匀的纳米纤维来。

那么这些优化究竟带来了怎样的变化呢？首先是纤维的形貌发生了翻天覆地的改观。在低浓度时，扫描电镜下看到的是零散的微米级颗粒，就像天花板上抖落的漆滴，几乎看不见连贯的纤维。而在优化后的条件下，电子显微镜照片展示的是一根根细如蛛丝的纤维均匀交织成网，没有拖着“小珠子”。

例如，对于分子量10,000的PVP，在80%浓度、20kV电压、0.5 mL/h流速下得到的纤维直径平均仅约0.25微米，且分布均匀，再也找不到碍眼的珠子。这些纤维的直径只有人体头发丝的千分之一左右，肉眼看似乎像一团白色薄雾，但它们却是真实存在的固体纤维！经过参数优化，研究成功制备出低分子量PVP的纳米纤维材料，这填补了之前的研究空白。更重要的是，这些纤维具备高表面积、无毒可降解等特点，为今后的各种应用打下基础。

低分子量PVP纳米纤维的制备突破，为众多技术应用打开了新大门。首先在生物医药领域，它可以作为药物递送载体：把药物分子包裹进PVP纳米纤维中制成纤维膜或微粒，贴敷在需要的部位，实现药物的缓释释放。由于PVP本身无毒且可生物降解，这种纳米纤维药物载体有望用于伤口敷料、植入支架等，让药效更持久、作用更精准。

另一方面，在功能材料方面，这项技术也有奇妙的用途。例如，研究提到可以将纳米粒子或纳米管掺入PVP纤维中，制成电磁波吸收材料。通俗地说，就是利用这些纳米纤维来“吞掉”特定频率的电磁波（比如微波），从而用于屏蔽电磁干扰或雷达隐身等场景。想象一下，在纤维膜中加入导电的纳米碳管后，纤维网就像一张“电磁捕网”，能把射来的微波能量吸收掉，减少反射。这种材料在5G通讯、防止信号干扰以及军事隐身涂层上可能大有作为。