一、研究背景

納米纖維具有獨特的特性，如孔隙率高、比表面積大、尺度和表面效應(yīng)顯著。這些特性使納米纖維在生物醫(yī)學、能量存儲、傳感器、環(huán)境修復(fù)和個人防護等各種應(yīng)用中備受青睞。各行各業(yè)對高質(zhì)量納米纖維的需求與日俱增，強調(diào)了對改進紡絲技術(shù)的需求。

電紡絲是生成直徑在十納米到幾微米之間的連續(xù)納米纖維的一種高效而新穎的技術(shù)方法。它使用高壓直流電場，使聚合物溶液液滴發(fā)生泰勒錐變形和拉伸，最終形成纖維。電紡絲被認為是制造聚合物納米纖維最簡單、最具工業(yè)可行性的技術(shù)，因為其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、適用性廣、運行成本低。單針電紡是最傳統(tǒng)的電紡技術(shù)，但其纖維生產(chǎn)率明顯偏低，平均僅約為 0.01-0.1 g/h。多針毛細管陣列電紡技術(shù)的發(fā)展提高了纖維生產(chǎn)率。然而，紡針難以清洗和堵塞以及電場干擾導(dǎo)致纖維質(zhì)量下降等問題仍未得到解決。無針電紡絲通過紡絲液的自組織形成泰勒錐和射流，從根本上解決了針紡絲的堵塞問題，并顯示出更高的纖維生產(chǎn)率。目前的研究提出了氣泡電紡絲法、錐形線電紡絲法、多平行電極電紡絲法和弧形凸槽電紡絲法等。然而，這些方法大多需要較高的紡絲電壓（大于 30 kV），纖維的均勻性和質(zhì)量也有待進一步提高。

在之前的研究中，我們開發(fā)了一種駐波電紡絲裝置，利用弦駐波振動來增強泰勒錐的形成。這一創(chuàng)新顯著地將紡絲閾值電壓降至 18 kV，并成功制造出直徑為 173 ± 48 nm 的納米纖維。然而，單股電紡絲的產(chǎn)量有限，往往無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。構(gòu)建串陣列被廣泛認為是提高紡絲產(chǎn)量的有效方法。然而，詳細說明具體增強效果以及這種方法是否會影響纖維質(zhì)量的報道仍然很少。同時紡制多股紗線如何影響紡紗區(qū)域的電場強度仍不清楚。還需要確定避免靜電干擾的最佳紗線間距。此外，還需要進一步研究纖維串上駐波的相位差對減少電場干擾的潛在影響。

在本研究中，我們通過在駐波電紡絲裝置中安裝弦陣列，構(gòu)建了多弦駐波電紡絲裝置。我們優(yōu)化了工藝參數(shù)，包括線串間距、數(shù)量和相位差，并利用電場模擬研究了它們對紡絲區(qū)域內(nèi)電場分布的影響。此外，還進一步評估了多串駐波電紡絲的纖維質(zhì)量和產(chǎn)量。這項研究為大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量纖維提出了新的解決方案，并為優(yōu)化線型電紡工藝提供了參考。

二、摘要

大規(guī)模生產(chǎn)均勻、高質(zhì)量的聚合物納米纖維仍然是一項挑戰(zhàn)。為了提高紡絲產(chǎn)量，我們在駐波電紡絲裝置中加入了串陣列，從而開發(fā)出一種多串駐波電紡絲裝置。研究人員優(yōu)化了串間距、數(shù)量和相位差等工藝參數(shù)，并利用電場模擬分析了它們對紡絲區(qū)域內(nèi)電場分布的影響。當線串間距小于 40 毫米或線串數(shù)量超過兩個時，由于電場干擾，電場強度明顯下降。不過，通過將串駐波相位差設(shè)置為半個周期，可以有效地減輕這種干擾。確定的最佳串陣列參數(shù)為：串間距為 40 毫米、兩根串、相位差為半個周期。多串駐波電紡產(chǎn)生的纖維直徑與單串駐波電紡產(chǎn)生的纖維直徑相似（178 ± 72 nm 對 173 ± 48 nm），但產(chǎn)量增加了 88.7%，達到 2.17 g/h，從而證明了大規(guī)模生產(chǎn)納米纖維的潛力。這項工作進一步完善了駐波電紡工藝，為優(yōu)化線型電紡工藝提供了寶貴的見解。

三、結(jié)論

本研究通過在駐波電紡絲裝置中安裝串陣列，構(gòu)建了多串駐波電紡絲裝置。通過電場模擬，優(yōu)化了串間距、數(shù)量和相位差等工藝參數(shù)，并研究了它們對紡絲區(qū)域內(nèi)電場分布的影響。當線串間距超過 40 毫米、線串數(shù)量少于三個或線串駐波相位差設(shè)置為半個周期時，線串之間的電場干擾可被有效消除。確定的最佳串陣列參數(shù)為：串間距為 40 毫米、兩根串、相位差為半個周期。多串駐波電紡絲的紡絲直徑為 178 ± 72 nm，與單串駐波電紡絲的直徑（173 ± 48 nm）相似。盡管如此，它仍將纖維產(chǎn)量提高了 88.7%，達到 2.17 克/小時，從而證明了大規(guī)模生產(chǎn)納米纖維的潛力。這項工作進一步完善了駐波電紡工藝，為優(yōu)化線型電紡工藝提供了參考。

圖1.多弦駐波電紡絲裝置示意圖。

圖2.字符串數(shù)組的排列。