一、研究背景

電紡絲是一種通過流體和靜電相互作用產(chǎn)生納米纖維的工藝，目前正朝著兩個(gè)方向快速發(fā)展。在第一個(gè)方向上，電紡絲正在從不同方面發(fā)展其生成新型聚合物納米纖維的能力，例如處理更多不同種類的工作流體以生成新型納米纖維、 以同軸、并排和組合等不同方式實(shí)施工藝，大規(guī)模生產(chǎn)納米纖維，以及通過與其他傳統(tǒng)化學(xué)或物理方法相結(jié)合轉(zhuǎn)換納米纖維（圖 1）。

圖1.電紡絲的概念、開發(fā)和應(yīng)用。

電紡絲的第二個(gè)發(fā)展方向涉及加深對(duì)工作流體的電流體動(dòng)力霧化 (EHDA) 的了解，其核心是單步但 “極其復(fù)雜 ”的過程的機(jī)理。電紡絲中的大多數(shù)問題都與基于界面的工程考慮因素有著深刻的關(guān)系，例如：(1) 流體與其噴絲頭之間的接觸面，該接觸面引導(dǎo)前者進(jìn)入電場(chǎng)；(2) 工作流體與環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)界面；(3) 多流體電紡絲過程中的流體-流體界面相互作用；以及 (4) 溶劑從流體中逸出及相關(guān)凝固機(jī)制。雖然有報(bào)道稱一些改良的同軸和三軸電紡工藝是基于調(diào)整氣液接觸形式，但這些工藝一般都旨在通過采用額外的溶劑作為單獨(dú)的工作流體來優(yōu)化制備條件。與傳統(tǒng)工藝相比，改進(jìn)后的工藝具有很大優(yōu)勢(shì)，可以控制聚合物流體的凝固速率，進(jìn)而生成高質(zhì)量的納米纖維。然而，它們不可避免地會(huì)增加靜電能量的消耗，而這在改良電紡絲和傳統(tǒng)電紡絲中都是被忽視的。

利用金屬毛細(xì)管作為噴絲板時(shí)，電能可以很容易地轉(zhuǎn)移到工作流體中，噴絲板被認(rèn)為是電紡絲系統(tǒng)中最重要的部分。電紡絲系統(tǒng)的其他三個(gè)部分是流體驅(qū)動(dòng)泵、高功率電源和纖維收集器。迄今為止，噴絲板紋理和流體之間表面的影響很少受到關(guān)注。而在所有類型的電紡方法中都能觀察到這種影響，包括氣泡電紡、無針電紡、自由表面電紡、反應(yīng)電紡以及最常見的針式噴絲板電紡。

電紡納米纖維已在環(huán)境、能源、醫(yī)藥和功能性織物等許多領(lǐng)域顯示出卓越的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)室中的許多新可能性可用于開發(fā)新的商業(yè)產(chǎn)品。因此，納米纖維的大規(guī)模生產(chǎn)最近受到越來越多的關(guān)注。相應(yīng)地，降低電紡納米纖維成本的方法也相當(dāng)重要。電紡過程中的節(jié)能將對(duì)所生產(chǎn)產(chǎn)品的價(jià)格產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，因此值得深入研究。

在理想的生產(chǎn)流程中，輸入電紡絲工藝的所有電能都用于將工作流體拉伸和凝固成固體納米纖維。然而，在能量傳遞和工作過程中，不可避免地會(huì)有一些能量流失到環(huán)境中。在電紡絲系統(tǒng)中，噴絲板是電能和工作流體的匯聚地。在文獻(xiàn)中，幾乎所有報(bào)道的噴絲板都由金屬制成，尤其是不銹鋼，因?yàn)榻饘倬哂辛己玫臋C(jī)械性能和導(dǎo)電性。因此，這種材料總是由噴絲板組成，以將靜電能量傳遞給工作流體。全金屬噴絲板通常通過鱷魚夾與電源連接。然而，金屬噴絲板和鱷魚夾同樣可以通過大氣將靜電能量分散到環(huán)境中，尤其是在潮濕的天氣里。因此，我們假設(shè)由非金屬組成的其他噴絲板在向工作流體輸送靜電能量方面可能更有效，這對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義。

在這項(xiàng)研究中，我們開發(fā)了一種帶有固體聚四氟乙烯芯棒的同心噴絲板，然后利用它實(shí)施了一種節(jié)能電紡絲工藝，生產(chǎn)出了由分布在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基質(zhì)上的酮洛芬（KET）組成的藥物納米纖維。此外，還采用了一種傳統(tǒng)的電紡絲工藝，將單軸金屬管作為噴絲頭，使用相同的工作流體制造納米纖維。比較了兩種工藝的能源成本以及所生成納米纖維的特性和性能。

二、摘要

盡管電紡納米纖維在各個(gè)領(lǐng)域的潛在商業(yè)應(yīng)用不斷擴(kuò)大，但對(duì)于降低成本和技術(shù)可行性非常重要的節(jié)能問題迄今為止卻很少受到關(guān)注。本研究開發(fā)了一種帶有固體特氟隆芯桿的同心噴絲板，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能電紡工藝。分別以水溶性較差的藥物酮洛芬和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為模型和成絲基質(zhì)，通過傳統(tǒng)的管式電紡絲法和所提出的固體桿式電紡絲法獲得納米纖維薄膜。通過體外藥物溶解實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)舌下藥物滲透實(shí)驗(yàn)比較了薄膜的功能性能。結(jié)果表明，兩種類型的納米纖維薄膜在醫(yī)療應(yīng)用方面沒有明顯差異。不過，新工藝所需的能量僅為傳統(tǒng)方法的 53.9%。這一成果的取得得益于基于應(yīng)用表面改性的幾項(xiàng)工程改進(jìn)，例如噴絲頭的空氣環(huán)氧樹脂表面能量分散性更低、特氟龍芯棒無毛細(xì)管反向力的自由液體導(dǎo)向以及更小的液體-特氟龍粘合力。還可以探索其他非導(dǎo)電材料，以開發(fā)具有良好工程控制能力和節(jié)能效果的新型噴絲板，從而獲得低成本的電紡聚合物。

三、結(jié)論

有兩個(gè)關(guān)鍵步驟會(huì)影響電能驅(qū)動(dòng)電紡絲的效率，即向工作流體有效輸送高電壓和輕松啟動(dòng)泰勒錐。我們探索了兩種工程策略，以自制的同心結(jié)構(gòu)噴絲板為基礎(chǔ)，采用固體聚四氟乙烯芯針，實(shí)現(xiàn)節(jié)能工藝。與傳統(tǒng)的基于金屬管的電紡絲相比，新工藝在類似制備過程中僅消耗 53.9% 的電能。兩種工藝制備的納米纖維在形態(tài)、尺寸分布和無定形特性方面沒有明顯差異。納米纖維具有相似的體外溶解速率和體內(nèi)外藥物滲透功能表現(xiàn)，是 KET 原粉的 10 倍以上。隨著商用電紡產(chǎn)品越來越多地進(jìn)入市場(chǎng)，工作過程中的節(jié)能問題有望引起人們的關(guān)注，從而降低功能納米纖維的生產(chǎn)成本。所提出的方案介紹了一種可用于節(jié)能納米制造的新型電紡絲技術(shù)，并探討了與 EHDA 中電能-流體相互作用相關(guān)的新理論問題。

圖2.同心噴絲板的概念設(shè)計(jì)，采用固體聚四氟乙烯芯棒和傳統(tǒng)的不銹鋼針作為對(duì)照。

圖3.擬議的帶有實(shí)心特氟隆棒的同心噴絲板。(a) 噴絲板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 完整噴絲板的數(shù)碼照片。

圖4.基于帶有聚四氟乙烯芯棒的同心噴絲板和納米產(chǎn)品微成型的節(jié)能機(jī)制。(a) 浪費(fèi)電能的反向力。(b) WCA 顯示工作流體在不同表面紋理上的粘附力。(c) 產(chǎn)品的變化與流體中 PVP 濃度的函數(shù)關(guān)系。