静电纺丝机的组成及原理


一、静电纺丝原理

当聚合物溶液或熔体被推出喷丝头时,表面张力会促使其形成球形液滴。而由于喷丝头上外加了高电压,使液滴表面带同种电荷。当静电排斥作用足够强时,可以抵消表面张力作用,此时液滴不是球形而是圆锥形。随着电压的加大,聚合物液滴被逐渐拉长形成锥体(Taylor锥)。毛细管的Taylor锥顶点被加速,当电荷斥力大于表面张力时,聚合物液滴形成射流从Taylor锥表面喷出,同时溶剂挥发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡(网或者膜)。根据收集装置与喷射装置的间距,静电纺丝技术还可以分成近场直写静电纺丝和远场静电纺丝。

1.远场静电纺丝

1934年,Formhals发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利,这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利,被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。在远场模式中,喷丝头到接收器的距离为5 ~ 15 cm, 电源电压大约在10 ~ 20 KV之间。使用远场模式进行纺丝时,可以得到比近场模式更细的纳米纤维,纺丝速度也更快。但是无法精准地控制纳米纤维在接受板上的位置。

2.近场静电纺丝

近场静电纺丝也称近场直写技术、电流体喷印技术。2006年,近场静电纺丝的概念首次在厦门大学孙道恒等发表于纳米快讯(Nano Letters)的报道中提出。 近场直写静电纺丝工艺是指当收集装置与喷头间距控制在0.5~5mm范围时,辅助精密运动控制,就可以通过近场静电纺丝技术制备出高度有序取向的纳米纤维如(图1)。

图1近场静电纺丝原理示意图

 

二、静电纺丝机的组成

静电纺丝装置主要由三部分组成,分别是高压电源、喷射装置和接收装置如(图2)。

图2 静电纺丝机的主要组成模块

1.静电纺丝喷射装置

喷射装置可根据实验需要更换,最常见的是单针装置。当需要增加纳米纤维的产量时,可以配置多针喷嘴装置。目前,多针喷嘴模块广泛应用于静电纺丝生产线,提高了纺丝效率。随着喷射装置的不断发展,静电纺丝设备是目前较适合纳米纤维工业化生产的设备。

图3各种静电纺丝喷射装置

2.静电纺丝接收装置

收集装置或接收板用于收集纳米纤维。接收装置的形式是多样化的,包括平板收集装置、滚筒收集器、笼型收集器、碟型收集器等。通过改变收集装置的几何尺寸和形状,可以调整纳米纤维的排列。

图4各种静电纺丝收集装置

3.静电纺丝高压电源

在静电纺丝时,一般使用直流电源。也可以将交流电源与直流单元结合辅助,采用低电压波形直接写入来实现高分辨率蛇形图案。外加电压是一个重要的参数,只有当电压超过临界值时,液滴才能被拉伸成为纤维。当电压较低时,纤维易出现珠状缺陷。静电纺丝所需的高压为1 ~ 30KV。

5两个由铜箔制成的平行辅助电极连接到交流电源

6蛇形微结构形态的光学图像。

 

三、近场静电纺丝分类

近场静电纺丝可按照打印材料类型分为溶液直写静电纺丝技术和熔体直写静电纺丝技术。

1.溶液直写

溶液直写静电纺丝工艺,即将打印材料制备成溶液状,在静电场的作用下进行打印,可制备50nm ~ 20um丝径范围的纤维,材料适用范围更广。

7溶液直写静电纺丝所打印的纤维微观图

2.熔体直写

熔体直写静电纺丝工艺,即将打印材料加热熔融,在静电场的作用下进行打印,可制备500nm ~ 50um丝径范围的纤维,非常适合用于生物三维组织工程支架的制造。

8熔体直写静电纺丝所打印的纤维微观图

 

四、应用

参考文献

  1. Xue, Jiajia,Xie, Jingwei,Liu, Wenying,Xia, Younan.Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications.:Electrospun Nanofibers: New Concepts,2017
  2. 人人文库.铁钴合金、碳纳米复合纤维的制备.https://www.renrendoc.com/paper/200143971.html,2022
  3. Daoheng Sun, Chieh Chang, Sha Li, and Liwei Lin.Near-Field Electrospinning.:Nano Letters,2006
  4. Feiyu Fang, Zefeng Du, Jun Zeng, Ziming Zhu, Xin Chen, Xindu Chen, Yuanjun Lv and Han Wang.Micro/nanoscale continuous printing: direct-writing of wavy micro/nano structures via electrospinning.Materials Science and Engineering,2015

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