高壓靜電紡絲機采用了哪些技術？

更新時間：2019-12-06 點擊次數：5333

目前，世界許多國家和地區正從事靜電紡絲法制納米纖維的研究，用靜電紡絲法制得的纖維比傳統的復合紡絲制得的纖維細得多，直徑一般在幾十納米至1μm之間，小直徑可達1nm。隨著近年來納米技術的不斷發展，靜電紡絲已成為制備納米纖維的重要方法而備受關注。高壓靜電紡絲機應用廣泛，從工業用的合成聚合物到纖維素、骨膠原、蛋白質、DNA復合體等各種原料都能進行紡絲，并可以在紡絲過程中加入抗生物質、納米粒子等，制備出各種功能性纖維。

國外對高壓靜電紡絲機的研究主要集中在以下幾個方面：

（1）研究多種合成聚合物和天然聚合物的靜電紡絲工藝，分析影響紡絲的因素及其纖維表征。

（2）研究電壓、噴絲口與接收屏之間的距離、紡絲液的濃度和流量等靜電紡絲工藝參數對靜電紡纖維的直徑及表面形態的影響，分析紡絲工藝的規律，以建立各工藝參數關系的理論模型。

（3）高壓靜電紡絲機所得制品在生物醫學領域中的應用研究。

（4）靜電紡絲裝置和方法上的創新，是近來靜電紡絲研究中的一個熱點。

與國外相比，國內的研究大約從2002年開始，東華大學研究了靜電紡絲的工藝參數對聚丙烯腈纖維直徑的影響，同濟大學進行了導電聚合物納米纖維靜電紡絲工藝的研究，北京化工大學用靜電紡絲法制得聚乳酸納米纖維無紡氈。總之國內的靜電紡絲起步較晚，對靜電紡絲的研究主要是通過選擇適當的聚合物溶液紡制納米級纖維，目前還著重于工藝參數對纖維形貌和直徑的影響及其纖維形貌的分析。

高壓靜電紡絲機的原理

高壓靜電紡絲機是在加入高分子溶液的噴嘴前端施加高電壓或直接對高分子溶液施加高電壓，在噴嘴前端的液滴表面，電荷集中而互相排斥時，從噴嘴流出的液滴逐漸變成被稱為泰勒錐的圓錐狀。電荷的排斥力逐漸增強，當排斥力超過表面張力時 ,液體從圓錐的前端正直噴射。因為噴出的溶液流變細，表面電荷密度變大，電荷的排斥力增強，進一步拉伸溶液流。這時，由于溶液流的表面積急速增大，溶劑揮發，就在捕集電極上形成納米纖維。

高壓靜電紡絲機主要由高壓靜電發生器、擠壓機的注射器、注射針（可替代噴絲板噴嘴）和接收裝置。聚合物溶液裝在注射器中，其前端接上金屬電極與高壓電源相連作為陽極。接地的接收裝置作為陰極。

1、靜電紡絲接收裝置

采用傳統的靜電紡絲接收裝置，由于紡絲過程中不穩定狀態的存在，在接收裝置上得到的纖維往往是無序排列的。因此，制取具有*的電學、光學、機械性能的取向纖維引起了研究者的極大興趣。獲得高度取向的靜電紡絲纖維的主要方法是通過改進接收裝置和控制電場等方法來實現的。

嘗試了一種新的方法排列纖維，他們將兩個電極平行放置（如圖 2），纖維在下落過程中受到靜電力的作用，并在垂直于平行電極的方向被拉直沉積，終搭載在兩個電極之間。他們認為兩個電極產生的靜電力是纖維取向排列的主要原因。這種方法所得的纖維取向排列程度有很大提高，排列纖維面積也有很大增加，是一種簡單而行之有效的方法。

2、制備螺旋狀纖維的接收裝置

設計了一種新型的接收裝置（如圖4），用來收集定向排列的螺旋狀纖維（如圖 5）。與傳統的靜電紡絲裝置不同，接地的接收電極是一個固定在木板中心的直徑為2mm的金屬電線。接地電極與噴絲頭之間存在一定的角距離，且在兩者之間放置一塊傾斜的載玻片，用來接收螺旋狀的纖維。在紡絲過程中，當射流到達收集板表面時被擠壓產生機械不穩定性，從而產生彎曲折疊、曲折褶皺或者螺旋結構的纖維。

3、動態水浴接收裝置

設計了一種新型的動態水浴接收裝置，如圖 6 所示。該裝置主要是通過水流由上水槽底部直徑為5mm的洞流出時形成的漩渦，對纖維進行拉伸。用水泵連接上下兩個水槽形成一個循環，使水能重復循環使用并且保持上水槽的水位不變。在上水槽中插入一根導線，將水面上多余的電荷導出。在不拉斷纖維的前提下，旋轉的離心力和水流牽引作用下，對纖維進行很好的拉伸牽引。纖維在漩渦底部匯聚成紗線，從槽底的洞中流出，并用旋轉的滾筒接收纖維紗線。

在靜電紡絲過程中加入電場。在磁場的作用下，射流中的電流所產生的安培力的方向始終指向初始平衡點，從而導致鞭動范圍減小，射流的穩定性控制得到提高。

且與旋轉的圓筒接收裝置呈90 ℃角處放置一個輔助電極（如圖8）。該電極提供與噴絲頭上大小相等方向相反的電壓。該裝置產生一個可控的電場以消除電紡過程中的彎曲不穩定和鞭動，從而使電紡射流沿一個穩定的軌跡噴射。