批量化制備納米纖維靜電紡絲設備研究進展

唐海洲，洪 潔，曾佳琪，郝棟連，毛 雪，張 坤

(西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048)

納米纖維由于具有較大長徑比、比表面積等特性，在生物醫學、水資源過濾、軍事科技等有著巨大的潛力。目前，制備納米纖維的方法有海島法、閃蒸法、熔噴法、相分離法[1-3]和靜電紡絲法等[4-6]，其中靜電紡絲法是利用電場力的作用將纖維拉伸細化，然后在接收裝置收集形成聚合物納米纖維的方法[7]。靜電紡絲法具有設備集成簡單、成本較低、可紡原料廣泛、結構易于調控等優點，在近幾年發展迅速，被廣泛運用于制備有機、無機、有機/無機復合納米纖維材料[8]。

通常制備納米纖維的靜電紡絲設備由灌注系統、噴射裝置和接收裝置構成，噴射裝置為單針頭或雙針頭，其產量較低，一般在0.1～1.0 g/h[9]，限制了其實際應用，因此批量化制備納米纖維成為納米材料產業化面臨的極大挑戰之一[10]。為此，研究者們開展了大量工作，他們發現最簡單的能實現批量化制備納米纖維的方法就是從靜電紡絲設備入手對噴射裝置和纖維接收裝置進行改進，接收裝置因改進較為單一，通過增大接收面積即可實現，所以主要還是從噴射裝置入手。噴射裝置的改進分為多針頭和無針頭兩大類，作者詳細闡述了這兩類噴射裝置批量制備納米纖維的原理、結構、特點，并對比了不同噴射裝置的優缺點。

1 多針頭多射流靜電紡絲法

多針頭多射流法是在單針頭靜電紡絲的基礎上通過增加一定數量的針頭，讓其按照一定的布局排列，使產生的泰勒錐成倍增加來實現批量化制造的一種成纖手段[11-12]。但在多針頭靜電紡絲時，各個針頭之間的電場會相互干擾制約，而要解決這個問題就需要合理設計針頭的排布或者額外加裝屏蔽裝置、輔助氣流等來避免針頭間的干擾[13]，從而提高紡絲的效率。

1.1 針頭排布設計

W．TONIASZEVVSKI等[14]通過改變針頭之間的布局，把多個針頭分別排列成為圓形、直線、橢圓等形狀，通過對比不同形狀排列的單針頭的平均紡絲量，發現圓形的針頭排列比直線排列、橢圓排列產量都要高，且纖維的質量較好。

吳元強等[15]通過使用有限元分析軟件對多針頭靜電紡絲時的針頭長度、針頭數量、接收距離和針尖電場分布強度進行了模擬，最終得出針尖端場強是最高的，單行設置針頭為2～4個最為適宜，針頭間距離應該在20～40 mm較為合適，且在保證接收距離的情況下，縮短接收距離可提高紡絲的效率。

朱自明等[16]研發的梯形波陣列多噴頭如圖1所示，將相鄰的噴孔用虛擬折線連結起來可形成一個梯形波浪的等腰梯形軌跡，噴頭間兩兩距離相等，可有效的減少兩個針頭間電場的干擾，提高針尖的電場強度。

1.2 加裝屏蔽裝置

張凌霄等[17]研發的恒壓供液多針頭靜電紡絲裝置首次將武藏式針頭引入到靜電紡絲中，這種針頭不易堵塞，并在針頭上添加防靜電裝置，減少了針頭間的相互干擾，提高了紡絲的效率。此外，設置的恒壓供液系統不僅能夠實時監控每個針頭的壓力，還能保證每個針頭的出液量基本一致，既保證了紡絲纖維的直徑，又能避免出現因為電場變化所導致的針頭堵塞的情況。

1.3 加輔助氣流

鄭高峰等[18]研發的一種多噴頭靜電紡絲裝置如圖2所示，引用了一種曲面極板供電，其可防止電場出現電場集中的現象，且噴頭在曲面極板上，曲面的弧度會給噴頭一個向上的緊力，可使噴頭更緊密的與極板相連。并采用了雙層氣體對紡絲進行輔助，提高了紡絲的噴射速率，而且能讓接收極板所接收到的納米纖維膜變得比較均勻，同時通過氣流輔助帶動紡絲還能將射流表面上的電荷一起帶走，這樣可降低射流間互相的靜電干擾。

在常規的后期剪輯工作中，大多數客戶使用單機位的素材進行剪輯，其流程是在大洋非編資源管理器中選擇所需的素材，然后通過預覽窗口確定入出點，拖拽添加到故事版時間線上，多個單機位素材通過一系列添加插入等操作，完成基本的故事版結構，每段片段素材均帶有前期攝影機或收錄設備的現場聲音，這種單機位素材的剪輯方法，僅需反復調整素材的入出點和故事前后關系即可。如果拍攝場景為復雜場景，前期使用多臺攝錄設備同步記錄，那么針對這種不同機位的后期剪輯，傳統的方法需要反復根據畫面動作、場景、任務口型等校正時間碼，實現故事版所有素材的同步播放，保證音頻的一致性，然后分別對每路軌道開關進行畫面選擇。

圖2 多噴頭靜電紡絲裝置Fig.2 Multi-nozzle electrospinning device1—可控注射裝置；2—液體導管；3—分液裝置；4—高壓電源；5—上層氣罩；6—下層氣罩；7—曲面電極板；8—紡絲噴頭；9—轉接頭；10—下層氣體導管；11—輔助調壓閥；12—輔助氣泵；13—上層氣體導管；14—調壓閥；15—氣泵；16—接收裝置

1.4 其他方面

鄭高峰等[19]研制的串芯式多針頭靜電紡絲裝置如圖3所示，所采用的實心針頭解決了傳統針頭會堵塞的問題，并通過實心針頭與噴孔之間的間隙來輸送溶液，僅需控制間隙中溶液流速就能在針尖處隆起液泡進行紡絲，而且不會出現堵塞的情況，針頭也方便拆卸清理。該裝置的溶液沒有暴露在外，可有效減少溶液的揮發，加上多針頭一起噴射，顯著提高了紡絲的效率。

圖3 串芯式多針頭靜電紡絲裝置Fig.3 Series-core multi-needle electrospinning device1—供液裝置；2—導管；3—溶液通道；4—放電針頭；5—噴口孔；6—電極板；7—殼體；8—高壓電源；9—收集板

多針頭多射流法批量化制備納米纖維不可避免的會存在電場間相互干擾的問題，雖然可以通過改變針頭的排列布局，或者加裝輔助裝置等減少電場干擾，但得到的提升相對有限，還是會出現堵塞現象，且存在裝置體積過大等問題[20-21]。

2 無針頭多射流靜電紡絲法

無針頭靜電紡絲裝置是通過在一定區域內充滿溶液和電壓，然后使該區域內盡可能多的出現射流，從而提高紡絲效率的裝置，其與傳統針頭式噴射裝置相比，可減少針頭間電場的相互干擾，且裝置占地面積相對減少[22]。無針頭多射流靜電紡絲設備分為多孔式、滾筒式、離心式、氣泡式、振動式，除此之外還有其他方式也能很好的實現納米纖維的批量化生產。

2.1 多孔式

多孔式靜電紡絲設備在多針頭設備的基礎上，通過設計特殊裝置代替針頭，實現了無針頭的多孔紡絲，解決了多針頭設備上針頭容易堵塞的問題，能夠提高納米纖維的生產效率。

張莉彥等[23]研究的多孔柔性管無針靜電紡絲裝置如圖4所示，利用了一種蛇皮金屬軟管與多孔彈性管相結合的復合軟管作為紡絲裝置，通過調節液壓泵調節復合軟管內的紡絲液液壓，使復合軟管內的孔徑隨液壓的變化而變化，這樣能夠避免孔徑太小阻塞溶液，而且還能改變孔徑大小來達到控制紡絲溶液輸出量，使之與電壓達到一個相對高效的狀態。同時，使用金屬導線編織的蛇皮管表面極易產生多種射流，大大提高了紡絲的效率。

圖4 多孔柔性管無針頭靜電紡絲裝置Fig.4 Porous flexible tube needleless electrospinning device1—紡絲液儲存室；2—液壓泵；3—卡箍；4—多孔柔性管；5—支撐框架；6—導輥；7—接收網簾；8—高壓靜電發生器；9—管接頭

2.2 滾筒式

滾筒式靜電紡絲設備是在滾筒表面設置凸起、凹槽等，滾筒在旋轉中攜帶起大量紡絲溶液，進入電場后形成大量射流，從而實現納米纖維批量化生產。

趙曙光等[24]研究了一種靜電紡納米纖維發生器，如圖5所示，該裝置通過一個輸液孔，把溶液輸送到旋轉滾筒的葉片上，在直流電壓的作用下進行靜電紡絲，此裝置與常規的滾筒靜電紡絲的開放式溶液槽相比，既保證了紡絲的效率，又減少了溶劑的揮發。

圖5 靜電紡納米纖維發生器Fig.5 Electrospinning nanofiber generator1—供液裝置；2—液體容器；3—驅動裝置；4—電源發生器；5—收集裝置；6—靜電紡絲頭；7—傳動裝置

孫道恒等[25]發明的聚合物納米纖維批量噴吐裝置通過一個與溶液槽接觸的金屬滾筒進行紡絲，滾筒表面有導電凸起，當滾筒旋轉時使溶液布滿滾筒，在直流電壓電場力的作用下，使滾筒上方出現大量的射流，射流在電場中經過高速旋轉、溶劑揮發、劈裂等過程，最終成為納米纖維沉積在接收極板上，可通過調整電壓控制納米纖維的產量，其生產效率為傳統紡絲的100倍以上。劉延波等[26]發明了一種利用鏈條連接兩個滾輪，在鏈條上鋪滿帶針尖布的噴射單元。該具備傳送帶結構的噴射單元轉動起來時，使尖端式針尖布滿溶液，在直流電壓的作用下就能進行紡絲，所制備纖維比較均勻，且可通過增加針尖模塊來提高紡絲的效率。

2.3 離心式

高橋光弘等[27]研發了一種納米纖維和高分子網狀物的制造方法和裝置，通過一個驅動裝置使得具有小孔的帶電容器發生旋轉，在旋轉過程中容器中的溶液由于離心力的作用從小孔溢出，受到電場力的作用或者送風裝置的風力使之偏轉，最后在接收極板上沉積得到納米纖維。這種方法有效避免了針頭堵塞問題，但紡絲纖維直徑分布較為離散。

徐嵐等[28]研發了一種大批量制備取向性納米纖維的離心靜電紡絲裝置，該裝置將接收極板設置在靜電紡絲機的四周，如圖6所示，有效增大了接收纖維的面積，且通過離心驅動機構將溶液甩出，由離心力和電場力使得射流有序的沉積在接收極板上，從而實現了納米纖維的批量化制備，并且縮短了工藝流程。

圖6 大批量制備取向性納米纖維的離心靜電紡絲裝置Fig.6 Centrifugal electrospinning device for batch preparation of oriented nanofibers1—活塞；2—料桶；3—噴絲頭；4—靜電紡絲機；5—旋轉軸；6—支撐盤；7—離心電機；8—高壓供電裝置；9—接收板；10—接地電源線；11—離心驅動機構；12—灌注泵

何建新等[27]研發了一種離心靜電紡絲裝置，如圖7所示，利用離心力和電場力拉伸聚合物溶液批量化制備納米纖維，其在離心噴絲器上引入了多通道射流的理念，設計了一種下槽上齒的噴絲器，并采用螺栓進行固定，既提高了紡絲的效率，又使得噴絲器方便清理，減少了溶液殘留。

圖7 離心靜電紡絲裝置Fig.7 Centrifugal electrospinning device1—供液裝置；2—輸液管；3—噴絲器；4—接收裝置；5—高壓發生器；6—噴絲孔；7—螺栓；8—槽；9—齒

蔣國軍等[30]研發了一種批量化制備納米纖維的靜電紡絲裝置，如圖8所示，通過中心軸上的調節器可以調節金屬絲間的距離產生不同的形狀，通過曲線狀金屬絲表面的紡絲溶液形成不穩定的小液滴，在電場作用下形成大量射流。裝置簡單，可操作性強，能夠批量制備納米纖維。

圖8 批量化制備納米纖維的靜電紡絲裝置Fig.8 Electrospinning device for batch preparation of nanofibers1—噴頭轉動系統；2—調節套；3—金屬絲噴頭；4—儲液槽；5—高壓靜電發生器；6—接收板；7—中心軸

2.4 氣泡式

氣泡式靜電紡絲設備是通過流動的氣體在紡絲溶液中產生氣泡，然后在電場力作用下使氣泡表面產生大量射流以實現批量化生產。氣泡式靜電紡絲裝置雖然可以生產大量的纖維，但由于氣泡大小的可控性差，紡絲射流受到的干擾因素較為復雜，容易對所制得的纖維的質量產生影響。

何吉歡等[31]研發了一種多孔氣泡靜電紡絲裝置，如圖9所示，通過旋轉裝置旋轉一個具有多線圈、多小孔的金屬導氣管，使之在旋轉中帶起紡絲液，由氣流帶動導氣管上的溶液形成氣泡，在靜電力的作用下，當電場力大于氣泡的表面張力，氣泡上會有噴射出大量射流，進而形成納米纖維，提高了納米纖維的生產效率。惠宇娜等[32]通過設置輔助電極的方式，使各噴頭的電場強度和均勻性基本一致，防止了其互相干擾，提高了紡絲質量。

圖9 多孔氣泡靜電紡絲裝置Fig.9 Porous bubble electrospinning device1—貯液池；2—多線圈旋轉金屬導氣管；3—氣泵；4—多線圈旋轉金屬導氣管的圓形部分上穿有多個小孔；5—滾筒；6—接地電極；7—高壓靜電發生器；8—金屬電極

2.5 振動式

振動式靜電紡絲設備是通過溶液中的一些可振動的裝置或振動的聲波等，在振動力的作用下將溶液帶到電場產生大量射流，實現納米纖維批量化生產。

李好義等[33]研發了一種琴弦式靜電紡絲裝置，設計了一排琴弦一樣的導線排布在溶液器頂端，該裝置可以自動的進行撥弦，使弦做周期性的上下振動，振動過程帶起的紡絲液受到電場力和振動力形成了泰勒錐，可通過改變弦長調節振動頻率和波形，實現對紡絲過程的控制，有效降低了紡絲所需的電壓，適合于工業化生產。房飛宇等[34]設計了一種超聲多孔氣泡靜電紡絲裝置，如圖10所示，通過氣壓和超聲波的共同作用產生振動，溶液池內的溶液會從中間錯位排列的小孔產生大量氣泡，當氣泡破裂時，在電場力的作用下將射流從氣泡射出，并沉積在接收裝置上，形成大量具有三維結構的納米纖維，設有排氣裝置的收集裝置可避免沉積的纖維受到氣體的沖擊，使紡絲效率大大提升。該裝置在保證紡絲效率和產量的同時，可進一步解決三維纖維支架收集難的問題。除此之外，在超聲波空化作用和氣泡氣流的共同作用下，紡絲電壓也得到了極大的降低。

圖10 超聲多孔氣泡靜電紡絲裝置Fig.10 Ultrasonic porous bubble electrospinning device1—貯液池；2—噴頭；3—導氣管；4—高壓靜電發生器；5—氣泵；6—接收裝置；7—中間平板

2.6 其他方式

何吉歡等[35]設計了一種批量生產納米纖維的靜電紡絲裝置，通過在溶液槽上方設計一個可旋轉的多重帶針尖的圓盤、螺旋片或彈簧，保證在旋轉過程中針尖帶起溶液進入電場形成射流。和傳統紡絲相比，因每次帶起溶液層較少，僅為微米甚至納米數量級，因此所需要的紡絲電壓就相對較低，而且多重圓盤可以根據需要擴大規模，容易實現批量化生產。聚合物帶點射流的產生屬于主動、可控的過程，解決了傳統無針頭靜電紡絲不可控、不穩定的缺點。

朱自明等[36]設計了一種帶尖齒的直線型電極靜電紡絲裝置，如圖11所示，通過帶尖齒的電極，能夠在齒尖聚集大量電荷，可簡便的通過電荷去誘導紡絲；由于尖齒的大小和間距都均等，所以射流電場也比較均勻，這樣收集板所接收的納米纖維也較為均勻。該尖齒電極結構較為簡單，可自由搭配多條，實現批量化的生產納米纖維。

圖11 帶尖齒的直線型電極靜電紡絲裝置Fig.11 Linear electrode electrospinning device with sharp teeth1—電極；2—供液系統；3—輸液管；4—運動平臺；5—供液滑頭；6—電纜；7—電源；8—電纜；9—收集裝置

覃小紅等[37]設計了一種順重力靜電紡絲裝置，如圖12所示，可自上而下順著重力的方向進行紡絲，取得了改變紡絲方向的重大突破。利用了環形噴頭和帶口圓環的供液裝置，可以有效防止溶液因為重力而自然滴落，無針式的紡絲避免了針頭的堵塞，提高了紡絲效率。

圖12 順重力靜電紡絲裝置Fig.12 Gravity electrospinning device1—環形噴頭；2—圓環形供液裝置；3—高壓發生器；4—射流；5—滾筒；6—變頻電機；7—軟管；8—溶液推進器

綜上，相比于多針頭多射流靜電紡絲裝置，無針頭多射流靜電紡絲裝置不會存在溶液堵塞、電場干擾等問題，極大提升了納米纖維的產量，但因為無針頭多射流靜電紡絲法的紡絲液微流量不可控，所以不能保證所得到纖維的直徑和形態[38]。各種無針頭多射流靜電紡絲裝置具體對比如表1所示。

表1 無針頭靜電紡絲裝置優缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of needleless electrospinning device

3 結語

對靜電紡絲設備的噴射裝置進行改進是批量化制備納米纖維的重要手段，目前主流的改進方法主要為多針頭多射流法和無針頭多射流法，各有其優缺點。

(1)與傳統單針頭靜電紡絲法相比，多針頭多射流靜電紡絲法提高了納米纖維的產量，但射流數量有限，而且針頭間容易出現電場干擾現象，且存在設備體積較大等問題。

(2)無針頭多射流靜電紡絲法與多針頭多射流靜電紡絲法相比，減少了紡絲過程中針頭間的相互干擾，縮小了所需要的噴絲裝置的占地面積，雖然裝置簡單，但紡絲的可控性較差，且紡絲過程中會有溶劑揮發，實際應用于工業化生產時需配套相應的設備對揮發的溶劑進行后處理。兩種改進方法都可以顯著提高納米纖維的生產效率，在生產應用時，應根據需求選取適宜的方法。未來如何利用簡易的裝置去批量化制備納米纖維依舊是靜電紡絲領域的一大研究重點。