静电纺丝元件

为了从溶液、悬浮液或乳液中获得电纺纤维,需要四种主要成分。

液体进料系统

待纺溶液通常通过注射泵或加压液体供给系统以恒定流速输送。对于注射泵,溶液通常包含在玻璃或塑料注射器中,加压液体供给系统可将溶液包含在储液罐中,并以半连续方式输送。常用的注射泵系统每批可输送高达140 mL的溶液,输送速率从0.1µL/h到6000 mL/h不等。同时,加压液体进料系统可以包含从几毫升到数千毫升溶液的多个体积,并且可以以半连续模式呈现。

液体供应系统的示意图

发射器

针基静电纺丝采用纺丝头发射器,可实现多种结构。这些毛细管针可以配置为单,共轴和多轴相位发射器。在单相中,只有一种液体流过喷嘴,形成具有单一结构的纤维。在同轴模式下,光纤可以发展为核壳结构,特别是当需要封装时,或在分裂结构称为Janus光纤。多轴相是通过静电纺丝技术制造纤维的第三种方法,因为一次可以纺出两种以上的溶液。

用于静电纺丝光纤的不同发射器示意图
使用不同类型发射器的电纺纤维。

典型的静电纺丝头由一根毛细管针组成。为了提高电纺纤维的产量,科学界在纺丝头上安装了多个平行发射器。所有发射器均采用相同的溶液进料,提高了生产率和纤维产量。

静电纺丝仪的多个发射器
同轴平行多发射极静电纺丝头,96个发射极。

在静电纺丝过程中发射器的另一个特点是能够控制最终产品纤维的直径。简而言之,光纤直径与发射极内径成正比。因此,虽然较大的内径可以获得较大的纤维直径,但较小的内径可以获得较小的纤维。

电源

使用具有可调电压的高压电源通过极化发射极来启动旋转过程。研究人员在制造纳米和微米级的电纺纤维时使用了高达+50千伏的电压。为了收集电纺纤维,收集器通常接地以将其吸引到特定区域。虽然收集器接地通常适用于小厚度,但光纤可以收集到不理想的接地位置。避免这种情况发生并准确改善光纤收集的一种方法是在收集器中施加负电压。这将最大限度地提高静电纺丝过程中的发射极-集电极电压降,从而提高纤维产量。

收集器

一旦在纺丝过程中固化,电纺纤维可以收集到各种收集器中,主要包括固定和旋转平台。这些收集器将对电纺样品的最终设计产生重大影响。固定收集器通常为平板,用于收集随机纤维,其面积范围可定制为所需范围。旋转收集器包括圆盘、心轴和滚筒,所有这些都可以具有多种所需的直径。由于芯轴直径通常较短,因此芯轴可以收集任意方向的纤维。同时,如果直径/长度比和旋转速度足够高,以允许在收集过程中拉伸纤维的高线性速度,则圆盘和滚筒能够收集对齐的结构。

静电纺丝仪器的收集器
静电纺丝收集器的类型。
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