静电纺丝喷丝头的设计进展

纳米纤维材料尺寸效应显著，在膜材料、催化剂、生物制药、电子产品等领域得到广泛应用。静电纺丝技术是-种可以简便、经济而有效地制备纳米纤维的方法。1934年 Formalas首次利用电场力制备聚合物纤维，被公认为静电纺丝技术制备纤维的开端。1981年Manley 等在利用静电纺丝法制备纳米纤维的过程中详细研究了喷丝头直径对纤维形貌的影响。1996年 Reneker 小组对静电纺丝过程进行研究。随着静电纺丝理论不断发展，人们逐渐认识到了静电纺丝喷丝头的设计对纳米纤维形貌和纺丝效率有着很大的影响，因此研究者对静电纺丝喷丝头的设计进行了探索，以提高纺丝效率和拓宽纳米纤维的应用领域。

1 喷丝头按设计结构分类喷丝头的设计结构是改变纳米纤维形貌及功能的主要因素之-。喷丝头按不同设计结构分为针孑L型、同轴型、中空型和多级型。

1-1 针孔型Formhals于 1934年首次使用静电纺丝法制备纳米纤维，其装置示意图如图 1所示。使用了直径为 0.1～1 mm的针孔型喷丝头，其结构简单 ，类似于注射器针头，为-根中空管，材料可为塑料、金属以及玻璃等，主要是用来制备实心纳米纤维，可以根据不同实验需求选择喷丝头口径。

针孔型喷丝头的使用最为广泛，至今仍是制备实心纳米纤维的最佳选择之-。

图 1 普通喷丝头装置示意图源1.2 同轴型Zussman等 首次采用同轴型喷丝头合成了由两种不同聚合物组成的复合纳米纤维。同轴式喷丝头是在针孔型喷丝头内部集成了-根毛细管，如图 2所示。根据实际需要内、外流体可以是同种或不 同的聚合物溶液，根据聚合物溶液特点分别施加不同的高压电场，从而形成具有核-壳结构的复合纳米纤维。与-般实心纳米纤维相 比较 ，核-壳复合纳米纤维在制药等领域有其独特的优势。

Yu等 利用同轴喷丝头技术，通过萃娶煅烧等方法对合成好的复合纳米纤维进行选择性核层移除 ，获得了中空纳米纤维。这种具有等级机构的纳米纤维被作为催化剂广泛应用。

作者简介：陈帝尧(1985-)，男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为静电纺丝机的结构设计与控制。

Mhme Building Automation，J.n 2013，41(2)：41-44 ·41·· 机械制造 · 陈帝尧，等 ·静电纺丝喷丝头的设计进展高压..--- 外流体图2 同轴喷丝头装置示意图外流体内流体l 高压电源⑩ ◎⑧ ③图4 多级喷丝头装置示意图1.3 并列型 2.1 无喷丝头型并列型喷丝头结构简单、实用性强。并列型喷丝头结构的主要特点是在喷丝头内部安装了-块隔膜挡片(见图3)～不同的聚合物溶液分别通过两个输入端注入喷丝头内部，在高压电的作用下同时进行射流激发，在 电纺丝过程中平行射流融合，得到了两根纤维相互连接的束状单根纤维。用这种方法制备的纳米纤维同时具备各组分的功能特性。Liu等 采用了并列型喷丝头制备了二氧化钛/二氧化锡双组分无机纳米纤维 ，使得两个组分均有最大的接触面积 ，这种形态在光催化过程中能充分利用光生电子，从而大大提高了其光催化活性。

内流体Jr j图 3 并列喷丝头装置示意图1.4 多级型Jiang等 设计了-种可制备多通道结构纳米纤维的多级型喷丝头，其结构示意图如图4所示。该喷丝头的主要结构特点是由多个较细的内喷管按规律集成于-个较粗的外喷管组成复合喷丝头，内喷管的数量视实际需要而定，每-个喷管与各自的供液系统相连。多级型喷丝头与高压电源相连，当内、外层液体以合适的流速从各 自管路中流出并施加高电压时，外层纺丝液体包裹着多个内层纺丝液体，形成-股 由多流体复合的极细液流从喷丝头喷出，液流在飞向对 电极的过程中不断拉伸细化并逐渐 固化 ，形成多通道或多组分复合的纳米纤维管 。通过多级型喷丝头制得的多通道结构纳米纤维进-步拓宽了纳米纤维的应用领域。

2 喷丝头按数量分类喷丝头的数量是决定静电纺丝效率的重要因素，喷丝头按数量可分为无喷丝头型、单喷丝头型、双喷丝头型以及多喷丝头型。

Dosunmu等 设计了-种采用旋转金属圆盘作为溶液发射端的装置 ，如图 5所示。其装置的工作原理是利用薄铝盘旋转产生的离心力从贮液池带出溶液，在高压静电的作用下形成射流，喷射在接收板上。此装置的优点是避免了针孔型喷丝头堵头的现象发生，制备的纳米纤维较为精细，同时有效地提高了静电纺丝产量；缺点是当薄铝圆盘旋转速度达到-定值时，易使溶液脱离薄铝盘而影响纳米纤维成形。

-- 竺 鹏源图5 金属圆盘式静电纺丝装置示意图Wang等 利用锥形的金属线圈来代替针孔型喷丝头，如图 6所示～聚合物溶液导人锥体中，外部接高压电激发射流。这种结构能保证溶液均匀地分布在锥体的表面 ，可以-次性装填更多的聚合物溶液，能够长时间持续生产纳米纤维。实验证明这样的装置可以制备 比针孔型喷丝头更细的纳米纤维，并且在 70 kV的高电压下也不会出现静电击穿现象。

高压电源射流接受板图6 锥形金属线圈静电纺丝装置示意图刘雍等 设计了喷气法静电纺丝装置，其装置如图7所示。工作时池底喷气孔喷气，形成大量气泡，气泡浮至液面形成激发点，在电场力的作用下溶液通过激发点形成激发射流，喷向接受板。此法不仅能够有效地提高静电纺丝的产量，同时在高电压下可以得到直径较小的纳米纤维。

。42. htp：fZZHD.chinaj。urna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainaj。urna1.net.en《机械制造与 自动化》· 机械制造 · 陈帝尧，等 ·静电纺丝喷丝头的设计进展图7 喷气法静电纺丝装置示意图2.2 单喷丝头型电源单喷丝头是最常见且结构相对简单的静电纺丝喷丝头，针孔型喷丝头是最典型的单喷丝头，主体结构为-根中空管，只需施加合适的电炒可用来纺丝，主要用来制备单-结构的实心纳米纤维。Kameoka等 设计了-种特殊的单喷丝头，即扫描探针喷丝头，装置如图 8所示。

其具体纺丝过程是选用边长 500 m左右的三角形硅探针与高分子溶液表面接触-下，吸取-滴液体作为电纺丝的原料，随后离开液面 ，通过与探针相连的金属丝对液滴施加电压，达到-定值后针尖上的液滴就形成了常见的泰勒锥，进-步增加电压，高分子纤维束就从液面喷射出来。

在此基础上，Sun等 对装置进-步改进，提出了近巢电纺丝技术(NFES)，喷丝头与收集板间距缩短为 0.5～3 mm，使纳米纤维的收集处于电纺丝稳定喷射阶段，实现了电纺丝过程的可控，如图 1所示。相比较与针孔型喷丝头纺丝方法 ，此法能够更加有效地控制纳米纤维的走向，甚至能够在收集板上书写，如图2所示。但缺点是每次纺丝的聚合物溶液量都很少，-次纺丝量较少。

图 8 扫描探针喷丝头装置示意图2.3 双喷丝头型Pan等 ” 人利用两个喷丝头相对放置并施加反向高电压 ，以滚轮作为收集装置(图 9)，使得带有相异电荷的纺丝激发射流相互吸引并纠缠在-起 ，结成了-股网状结构的纳米纤维 ，最后通过滚轮拉紧收集。此方法制备的纳Machine Building 8 Automation， H 2013， 41(2)：41-44米纤维具有良好的取向性 ，同时有效提高了纺丝效率。双喷丝头静电纺丝方法为静电纺纳米纤维批量化生产提供了新的思路。

5 kV .5 kV图 9 双喷丝头装置示意图2.4 多喷丝头型多喷丝头是目前常用的提高静电纺丝效率的有效方法。

主要结构特点就是多个喷丝头直线或规则排布，喷丝头数量从两个到十几个不等。缺. 是引入电丑，射流间会发生静电排斥作用。Szadlkowski等 在采用直线方式排列喷丝头[图1O(a)]实验中发现直线式排列处于中间位置的喷针头纺丝效果较差，射流方向不受影响，相对而言两边喷丝头的纺丝效果有所改善，但射流方向受电场力作用向外偏移。总体而言，多喷丝头纺丝效率较单喷丝头有大幅提高。圆周排布方式喷丝头[图 10(b)]的纺丝品质较好，产量也高，各喷丝头喷丝效果均较为理想，纺丝射流方向均向四周偏移。s.A。

Theron等 则采用正方形排列9个喷丝头[图10(c)]，发现中间溶液射流运动轨迹受干扰较小，纺丝量与单根针头差不多，四周的射流运动轨迹受干扰较大，和圆周式排布方式有类似之处。Yang等 人使用了37个喷丝头以六边形分布，发现喷丝头的数量对形成的纳米纤维的附着面积有-定的影响，喷丝头数量越多，收集纳米纤维所需附着面积越大。说明射流运动越不稳定。

目 J J l I J i I (a)(c)图 1O 多喷丝头装置示意图Kim等 使用直线方式排列喷丝头，并在喷丝头前段-小段距离加装金属圆环辅助电极，其装置示意图如图1 1所示。实验发现加装金属圆环辅助电极的多喷丝头喷射的溶液射流运动较为稳定，有效地克服了射流间静电排斥，同时加强了射流对纺丝环境的抗干扰能力。加装金属圆环辅助电极的多喷丝头形式纺制的纳米纤维附着面积· 43·· 机械制造 · 陈帝尧，等 ·静电纺丝喷丝头的设计进展较小，证明了采用这种带有辅助电极的喷丝头可以有效稳定射流。2011年，日本关西 电子公司使用加装金属圆环辅助电极的方法研制了 16个喷丝头的静电纺丝机 ，根据需要喷丝头数量可以扩展到 64个，可以用来大规模长时间生产纳米纤维。加装金属圆环辅助电极的喷丝头使纳米纤维实用化成为可能。

f f/铝板喷丝头圆形通孔高压电源图 ll 带辅助电极多喷丝头装置示意图3 结语随着纳米技术的不断进步，以往结构单-，产量低的纳米纤维已不再能够满足人们的需求 ，静电纺丝喷丝头的的设计主要需要解决纺丝纤维的可控性和纺丝产量问题，其研究向着制备排列规整纤维、定向纤维、二级以及多级结构纤维和提高静电纺丝效率等方面发展，这对静电纺丝喷丝头的设计提出了新的要求。目前静电纺丝喷丝头的设计向着可控性喷丝头和带辅助电极装置的多喷丝头方向发展，同时无喷丝头技术的研究也为静电纺丝提供了新的探索方向。总之，静电纺丝喷丝头的设计和研究是静电纺纳米纤维走向实用化的基础 ，是决定静电纺丝技术研究价值的关键因素之-。