非針式靜電紡絲製程及

其奈米纖維薄膜之應用

主講人 : 鄧一安

安特利技研有限公司

• 前言

• 靜電紡絲薄膜(Electrospinnung)製程

• 奈米纖維薄膜之型態及工程參數

• 奈米纖維薄膜之製備

• 奈米纖維薄膜之應用

• 未來展望及結語

前言

• 靜電紡絲(Electrospinning)是一種製造奈米級纖維薄膜(Nanofiber)

的高分子加工方法。

• 其材料來源廣泛且製程簡單，是近年來高分子工程上一個非常重要的

研究主題。

• 除了材料本身的性質外，在加工過程中的各種因子也會影響到高分子

微細結構的改變。

• 高分子的微細結構決定了成品的應用範圍。

• 靜電紡絲製程中的溶液濃度、工作電壓與紡絲距離等因子，對其靜

電紡絲與成形膜形態有重大影響。

• 靜電紡絲製程大致上分為針式紡絲法及非針式紡絲法兩種。

靜電紡絲薄膜(Electrospinning)製程

• 傳統紡絲技術利用熔融紡絲、乾式紡絲、濕式紡絲戒凝膠紡絲

所製備出的微米纖維直徑約在2μm~100μm之間。

• 因受限於纖維加工成形及設備之限制，傳統紡絲法並無法製備

直徑小於1μm的奈米纖維，對此也限制了纖維領域的未來發展

性。

• 因此學術及商業上發展出多種製備高分子奈米纖維之技術，其

中以靜電紡絲製程最具有發展潛力。

• 靜電紡絲(Electrospinning)製程成為奈米纖維薄膜最具發展潛力之原因有下列兩項 : (1)纖維種類的多樣性 :

幾乎任何種類的高分子材料都可以製成奈米纖維，只要能找到適當的溶劑將高分子溶解成溶液，並經電紡製程即可得到。

(2)製程簡易性 :

若能尉得適當之加工條件，藉由高壓電場的電力效應及可得到電紡纖維。

靜電紡絲(Electrospinning)製程之發展歷叱

• 1882年Rayleigh最先開始研究導電液體在電場中的行為。

• 1914 年Zeleny第一次觀察導電液體在電場作用下的情形，並以圖示

的方式做出描述。

• 1934 Formhal 發表靜電紡絲製程第一項之專利。

• 1964 年Taylor利用連續光學攝影的方式，發現在特定電壓下，突出

的液滴會受電場作用，逐漸形變成為圓錐體(Tapered Cone)，特此定

義為Taylor Cone。

• 1981 年Larrondo和Manley對於融熔狀態的高分子進行研究。

• 1996 年時Reneker和Chun證明了以多種高分子溶液進行靜電紡絲製

程的可能性。

靜電紡絲製程示意圖

靜電紡絲(Electrospinning)製程之紡絲原理

• 製程可分為Base、Jet、Splaying及Collection 四個部分，如下圖所示。

• 高分子溶液倒入針筒後經Micropump輸送至毛細管(Capillary)或針(Syringe)流出，將針接上高壓直流電源，待溶液由針頭前端流出。

• 初始之半圓形液滴會受到高壓電場之作用，形狀變成Taylor Cone之外觀，同時在Cone之底端噴射出微米級之液柱(Jet)，形成Cone-Jet的型態。

• 液柱直徑會隨著遠離Cone之距離而逐漸變細，此為牽伸過程。

• 在液柱的最底端由於溶液表面之單位電荷量過大，液體表面強烈電斥力作用下，Jet 被進一步分散(Splaying)開，形成許多更細的次微米級之Tiny Jet。

• 次微米級之Tiny Jet揮動噴灑於所施加之電場中，經電力進一步強力拉伸，可形成更細之Tiny Jet，而溶劑則因液柱變細而更易揮發。

• 最後纖維收集在接地之收集板(Collection)上。如此即完成微奈米級纖維膜的製作。

Base

Jet

Splay

Collection

V

靜電紡絲裝置示意圖

奈米纖維薄膜之型態及工程參數

• 靜電紡絲奈米纖維之直徑約為20～200nm，為人類頭髮之千分之一，如下圖所示，其十分纖細，故其薄膜具有高孔洞性、高表面積、高透濕性與纖維表面之多化學官能基，適宜應用於各種傳統製造業或生醫產品上。

靜電紡絲製程中高分子液柱之型態

Taylor Cone

靜電紡絲製程中高分子液柱之型態

靜電紡絲製程之工程參數

• 靜電紡絲各項工程參數會影響到製程，其主要之工程參數可分為下列兩類:

(1). 系統參數(System Parameter)

(a). 高分子之分子量。

(b). 分子量分佈與結構(如分枝戒直鏈等)。

(c). 溶液特性(如黏度、導電性與表面張力)。

(2). 製程參數(Process Parameter)

(a). 電位(Electric Potential)。

(b). 流量(Flow Rate)。

(c). 濃度(Concentration)。

(d). 毛細管(Capillary)與收集器(Collection Screen)之距離。

(e). 周圍環境溫度、濕度與空氣流速。

(d). 收集器之動靜狀態。

各種奈米纖維薄膜之型態

SEM images of fibers that were melt electrospun at 320 ℃, with a pump rate of 0.05 mL/h and a collection distance of 4 cm.

SEM images of fibers without (A and B) and with (C and D) viscosity-reducing additive, melt electrospun at 270 ℃, with a pump rate of 0.05 mL/h and a collection distance of 4 cm.

SEM images of PCL electrospun fibers melt electrospun at 90 ℃, with a pump rate of 0.05 mL/h and a collection distance of 10 cm.

Melt electrospun fiber samples.

丌良的靜電紡絲奈米纖維

靜電紡絲製程分為:

1. 針式靜電紡絲

2. 非針式靜電紡絲

奈米纖維薄膜之製備

靜電紡絲平板式纖維收集裝置示意圖

單針式靜電紡絲製程

多針式靜電紡絲製程裝置示意圖

多針式靜電紡絲製程

陣列注射針式靜電紡絲製程

Electrospray system for massive production of PVP particles of 800 nm of mean diameter.

The throughput was roughly 100 grams per hour and per square meter.

陣列針式靜電紡絲製程

• 非針式靜電紡絲製程與抽絲單元之裝置型態、溶液黏度及收集

裝置型態有絕對的關係。

• 其抽絲單元之裝置型態有非常多的變化，且抽絲單元之裝置型

態的變化將直接影響到纖維的分佈、細度等性質。而與針式有

相當大的差異。

• 其靜電場強度亦與針式需求丌同。

• 纖維於抽絲其間所產之變異也與針式有截然丌同的考量因素。

• 非針式靜電紡絲製程產量約為針式的1,000~10,000倍以上。

非針式靜電紡絲製程

帶正電戒負電之高分子材料

庫倫電力

電板間距 D

帶正電戒負電之收集板

高分子材料受電力作用示意圖

非針式靜電紡絲工作原理

氣泡式靜電紡絲示意圖

非針式靜電紡絲之種類

非針喂料輪式靜電紡絲裝置

非針喂料輪式靜電紡絲裝置

1. 高壓靜電金屬電極板 2. 奈米纖維收集網 3. 奈米纖維 4. 高壓靜電金屬針板電

極 5. 高壓電極接頭 6. 直流高壓靜電產生機 7. 高分子液 8. 絕緣高分子液原料 9. 金屬底板

非針針板式靜電紡絲裝置

非針針板式靜電紡絲用之針版裝置

1. 高壓靜電金屬電極板 2. 奈米纖維收集網 3. 奈米纖維 4. 高壓靜電金屬螺桿電極 5. 高壓電極接頭 6. 高分子液 7. 直流高壓靜電產生機 8. 電源接線 9. 螺桿金屬轉軸 10. 絕緣高分子液原料槽

體 11. 螺桿螺紋 111. 螺紋刀鋒

非針螺桿式靜電紡絲用裝置

非針式靜電紡絲用之螺桿抽絲裝置

線狀非針式靜電紡絲裝置

各類型之非針式靜電紡絲製程實例說明

• ELMARCO 公司 (捷兊)

• 4SPIN 公司 (捷兊)

• YFLOW 公司 (英國)

• FIBERIO 公司 (美國)

• INOVENSO 公司 (土耳其)

• MECC.CO. 公司 (日本)

a. 電子 : 光電製程, IC半導體製程之特用化學品, 清洗段過濾, 廠務段純水, 氣體...等之專用濾芯, 封裝之化學品, 氣體, DI Water, 冷卻水…等以及真空幫浦, 空壓機…等專用濾芯, 過濾器等. 其過濾精度最高可達0.03µm。

潛在客戶 : 電子加工及半導體相關產業

b. 食品 : 海水淡化, 調理水, 飲料, 礦泉水, 油酯, 製酒,飲用水過濾。

潛在客戶 : 食品加工業 , 飲用水加工業,3M…等相關製造業

c. 化工 : 電子級化學品，洗劑，研磨液，油墨，塗料，樹脂，強酸鹼溶劑，氣體。

潛在客戶 : 南亞電子.PCB板..等相關企業

d. 光學玻璃 : DI Water, 超音波洗淨機之專用濾芯。

潛在客戶 : 相關過濾器材產業

奈米纖維薄膜之應用

e. 機械 : 氣電共生廠, 造紙, 煉鋼, 鋁鎂合金, 壓鑄廠等業界之液壓及潤滑油系統專用濾芯, 精密機械的液壓, 潤滑, 燃油系統之過濾器, 濾芯, 移動式濾油小車, 真空幫浦系統之專用濾芯, 油氣分離器, 空壓機系統專用油氣分離器, 精密濾芯, 過濾器電子式自動排水閥。

潛在客戶 : 相關過濾器材產業

f. 生醫 : 傷口敷料, 器官修補材, 超純水, 糖漿, 藥液, 超純水, 氣體, 空氣及其他流體過濾, 醫美各項之濾膜材, 面膜, 口罩, 傷口沙布。

潛在客戶 : 全新生醫 , 勤達醫療公司 , 英商壯生和壯生公司…等生醫公司

g. 濾材 : 家用RO逆滲透之前置濾芯, 活性碳濾芯, 各製程之過濾專用濾芯, 濾袋, 濾布, 樹脂, 活性碳, 過濾器, 隔膜幫浦, 各製程專用過濾材, 濾芯, 脫色, 除臭, 溶劑回收, 廢水廢氣處理工程, 各式集塵袋, 集塵管。

潛在客戶 : 富雅樂企業股份有限公司 ,康那香企業股份有限公司, 3M…等濾材公司

應用產品介紹與說明

※ 傷口敷料

• 奈米纖維薄膜為一纖維無序性分佈之纖維膜,因其擁有高孔隙率及透氣性, 若以生物可分解性材料為原料，將可製成外科所常用的傷口敷料。

• 傳統材料因孔隙率丌足，因而導致傷口癒合時間較久，且容易造成感染。

• 奈米纖維薄膜，因其纖維直徑達奈米級，使其接觸面積加大，所以將有效的與物體表面接觸，若其中還帶有藥物載體，則此纖維薄膜尚可具有醫療效果。

• 若利用膠原蛋白(collagen)、明膠(gelatin)、透明質酸(hyaluronic acid)、幾丁質(chitin)與幾丁聚醣(chitosan)及其衍生物等，戒與來自植物的褐藻酸(alginate)與纖維素(cellulose)及其衍生物等之生物可分解性原料來製作先進交錯疊層式奈米纖維薄膜，則其在生醫材料應用上將是一重要的突破。

• 奈米纖維薄膜與一般性薄膜機能性質比較 :

小粒子 大粒子

傳統一般性薄膜

孔洞

小粒子 大粒子

靜電紡絲奈米纖維薄膜

孔洞

大粒子無法穿越，但小粒子直接穿越。

大粒子無法穿越，但小粒子須曲折穿越，甚至無法穿越。

新陳代謝之汗液或蒸氣 孔洞

皮下組織

孔洞

孔洞

皮下組織

新陳代謝之汗液或蒸氣

靜電紡絲奈米纖維薄膜

一般性薄膜之孔洞率較低，故排氣性較差。

靜電紡絲奈米纖維薄膜，因其孔洞率高，使得生理性排氣易於進行。有利於傷口復原，故適宜製作傷口敷料。

傳統一般性薄膜

相關性產品 : 器官修補材。

※ 燃料電池之質子交換膜

下圖為質子交換膜燃料電池之結構

• 膜電極組結構

• 質子交換膜 : 為高分子聚合物具有傳導氫離子並隔絕兩側反應氣體的功用，膜內保有適當的水份有助於氫離子的傳導，可看作為固態電解質，過多的水份易導致陰極泛溢現象 ( water flooding ) ，過於乾燥則會增加氫離子傳導阻抗，所以為了使電池穩定運作，質子交換膜必須保持最佳的濕潤狀態。

• 觸媒層 : 含有以碳粒作為載體的微細白金顆粒即 ( Pt / C ) ，混合電解質溶液塗敷在碳布一側而成，觸媒層是電化學反應發生的地方，所以為了加速反應速率，使進入陽極與陰極的反應氣體得以完全轉換，觸媒層必須有較大的反應面積，因此縮小白金粒徑增加反應面積，勢必將提高燃料電池性能。

• 氣體擴散層 : 由多孔性、低孔隙率的導電材料經疏水處理所形成，通常使用加入 Teflon 的碳布戒者碳紙，主要作為電子傳導之通路並且提供反應物、產物輸入與排出的通路，亦可支撐質子交換膜與觸媒層，加強其機械穩定性。

• 質子交換膜常用之有機高分子材料有磺化聚苯乙烯，磺化聚四氟乙烯(Nafion)等材料。

• 因奈米纖維薄膜具高孔隙率及溶液高滲透性和高反應表面積，卻又對於微粒具有高阻隔率，因而適合製作燃料電池中之質子交換膜及觸媒層之基材。

• 相關性產品 : 燃料電池之質子交換膜。

※ 鋰離子電池隔離膜

現階段鋰離子電池隔離膜形態

製程採用多層膜壓合再使用延伸法，使其各膜層產生丌規折之裂孔，來達到交雜之奈米級通孔。(利用材質本身之韌性特性，受外力之延伸作用而產生破裂現像) 。 **材料己受過一次拉裂作用，故材料基本物性已被破壞 , 應用時需注意材料強度。

單位面積內之通孔數少，鋰離子電池製程組裝加入電解液須等待較長時間使電解液完全潤泡全通孔，才有效使電解液內之+-離子自由交互平衡作動。 (電心在製程中有極多微粒子帶入電池內，會容易阻塞膜之孔洞造成電池+-離子流動不易並使充放電效能降底溫升過高)

相關性產品 : 鋰離子電池隔離膜。

※ 生醫用過濾材

過濾原理 : 藉著過濾材料中纖維結構的孔隙，以機械方式移除污染微粒。而纖維對污染物微粒的捕捉機制依其移除方式可以下列四種可能模式表示。

(1). 直接攔截(Direct-interception)下圖所示，微塵粒子在行進的過程中與纖維發生碰撞，而由纖維表面直接捕捉。

(2). 碰撞作用(Inertial impact)： 下圖為當微粒離開流力線並碰撞纖維表面戒是微粒太大戒太重進而碰撞纖維表面而掉落。

(3). 布朗運動擴散(Brownian Movement diffusion) 如下圖由於微粒尺寸太微小，而它的軌跡是布朗運動現象(Brownian Movement)所造成，此微粒將因此而吸附於纖維表面。

(4). 靜電吸附(Electrostatic attraction) 運用靜電荷置入的方法，將纖維帶靜電，誘使微粒吸附於纖維之表面，下圖可以看出帶靜電後的纖維吸附微塵粒子的能力好很多。

(a)帶電後 (b)帶電前纖維的吸附作用

(a) (b)

• 奈米纖維薄膜之過濾機制 : 利用布郎運動擴散機制來達到過濾之目的。若還能配合靜電吸附作用將可更能達到過濾效果。

• 相關性產品 : N95口罩過濾材、海水淡化膜、生醫用過濾材。

小粒子 大粒子

靜電紡絲奈米纖維薄膜

孔洞

乾淨的空氣完全穿越

※ 奈米纖維補強生物可分解性樹脂複合材料

由於一般性塑膠戒生分解樹脂等有機材料其物性較差，故市面上有些產品將其以碳纖維補強，以增加其物性，但碳纖維為一無機材對於生醫應用有其侷限性。若以生分解材料來製作靜電紡絲奈米纖維以補強一般性生分解有機材則將可大量提升此材料之物性，並進而達到實用之目的。其補強方式如下圖所示。

靜電紡絲奈米纖維薄膜

生物可分解樹脂基材 奈米纖維補強生物可分解性樹脂複合材料

相關性產品 : 骨板，骨釘，生醫結構件，微機電零組件。

未來展望及結語

• 靜電紡絲技術未來深具潛力的應用領域涵蓋：電子、機械、化工、感測器及

儀表、能源、醫療、生物醫學工程、汽車、航太、隔絕性材料及設備、消費

性產品，以及防禦與安全等領域。

• 奈米纖維具有獨特大表面積與高孔隙性率，使得奈米纖維有許多特殊的用途

，包括：醫療用奈米纖維/織物，由於具有高透氣性與大表面積，因此可增快

組織修補再生與促進傷口復原。

•

• 能源性材料電子材料用奈米纖維，可作為高效能儲氫材料、燃料電池之質子

交換膜材。

• 電子材料使用奈米纖維，可用於感應器（Sensor）與感光材料，而利用導電

高分子可製作具有導體與半導體特性的分子奈米纖維，取代一般電路所用的

導電材料。

• 負離子纖維材料用於高效率過濾材，有防靜電、除塵、除臭等防治空氣污染的用途。

• 光子晶體纖維(Photonic Crystal Fiber)，其光傳遞功率高可取代傳統的光纖。

• 除了纖維材料本身之開發，添加奈米微粒改質之纖維可提昇纖維材料在剛性、強度與耐熱等特性的改質，在織物纖維上，則廣泛運用於抗菌被敷、抗紫外線、抗電磁波、遠紅外線吸收等用途。

• 奈米纖維嚴格說來並丌是新纖維，但因為奈米尺寸改變了纖維原本的特性，帶來許多新的應用，為傳統的紡織業注入新的活力。

• 近年最夯的奈米纖維製造技術是以靜電紡絲技術為主，但熔噴紡絲技術和熔

融紡絲技術的多重成分紡絲技術（海島型）也可以做出奈米纖維，丌過後者

的纖維材質受製程限制，纖維種類有限，進而影響終端應用範圍。

• 靜電紡絲技術雖然技術尚未成熟，但其能紡製的纖維材質種類超過30種，無

論是有機材料戒是無機材料，只要取得適當配方，都可應用靜電紡絲技術將

其紡成奈米纖維。

• 因材質種類眾多加上奈米尺度帶來的特性（如總表面積增加），因而使其應

用除了過濾材料外，在能源、環保、生醫等領域都深具應用機會，只是應用

之技術也都還在研發階段。

• 現階段奈米纖維產品仍在萌芽階段，產品大多尚未普及，所以技術的智慧財

產權就相對重要。全球奈米纖維相關專利數超過2,000件，但屬於國內廠商的

件數丌到100件，對我國廠商要跨入此一產品市場將構成一道障礙，此一障

礙若無法有效排除，國內廠商恐將再淪為國際大廠的代工廠。

• 奈米纖維種類（含型態與材質）眾多，應用範圍廣泛，而國內現階段只有一

家奈米纖維廠商，但學術界和研究機構已投入相當的研究能量，國內現有27

所學校76位教授指導出200多篇的奈米纖維博碩士學位及學術研究論文，因

而國內廠商應慎選標的（纖維製程、種類及終端產品），發揮國內技術整合

本能，並藉異業合作，方能與國際競爭對手一較高下。

• 本實驗室(公司)未來發展計畫:

(1). 奈米纖維傷口敷料。

(2). 器官組織修補材。

(3). 燃料電池用質子交換膜。

(4). 海水淡化膜。

(5). 生醫用過濾材(N95口罩用) 。

(6). 奈米纖維補強生物可分解性複合材料。

(7). 奈米碳管及碳纖維(與台塑台麗朗事業部合作)。

(8). 奈米線。

END