静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式,此时雾化分裂出的物质不是微小液滴,而是聚合物微小射流,可以运行较长的距离,最终固化成纤维。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。
通常条件下,静电纺丝所采用的均为单针头模式如图1所示,然而单针头的产量远远达不到产业化生产指标,一种简单直接的方式就是用针头阵列的方式将单个针头复制,也称“多针头”(或“针头阵列”)方式。现用的单针头和针头阵列如图2所示。
图1. 单针头静电纺丝原理。
图2. 单针头和多针头静电纺丝针头对比图。
然而,这种多针头的纺丝方式最终被广泛认定不适用于批量生产,因为不同针头喷出的纤维带有同性电荷,截至目前虽然科研界和产业界做了数十年的尝试,仍然无法消除多针头纺丝固有的不均匀问题。如图3所示多针头所纺纤维互相排斥,在接收端形成斑块结构。图3内容来自权威科研杂志XXX。
图3. 多针头纺丝器件及纺丝结果。
有的科研人员和企业希望采用针头交错运动来解决这个问题,但是经过十余年的尝试,最终也无法解决多针头方式带来的不均匀问题,原因在于纤维喷射是动态的,从而导致不同针头所纺纤维的分布不均匀也是动态的,所以简单的交错运动无法达到设想的效果。图4所展现的就是针头通过交错往复运动生产出来的样品外观,从图中可以明显的看出来制作的样品表面纤维仍然不均匀,纤维在有些地方沉积密集,有的地方沉积稀疏。
图 4. 多针头通过交错往复运动生产出来的样品外观。
这种纤维沉积的不均匀对静电纺丝纤维在过滤方面的应用危害很大,因为会使过滤效率和透气量难以优化,并且容易产生纤维稀疏区域的“击穿”问题,一旦“击穿”出现,那将危害很大,例如对内燃机、燃气轮机的粉尘摩擦危害。图5为多针头纺丝设备在工业滤纸上覆膜纺丝的效果,我们可以模糊的分辨出有序的(这里是菱形)厚薄不均。这里也建议,如果用户在乎材料的均匀度,那么可以要求供应商提供“非白色”(最好是颜色鲜艳)衬底的静电纺丝覆膜样品。
图 5. 多针头静电纺丝在蓝色滤纸上覆膜的不均匀实例
通常条件下,静电纺丝所采用的均为单针头模式如图1所示,然而单针头的产量远远达不到产业化生产指标,一种简单直接的方式就是用针头阵列的方式将单个针头复制,也称“多针头”(或“针头阵列”)方式。现用的单针头和针头阵列如图2所示。
图1. 单针头静电纺丝原理。
图2. 单针头和多针头静电纺丝针头对比图。
然而,这种多针头的纺丝方式最终被广泛认定不适用于批量生产,因为不同针头喷出的纤维带有同性电荷,截至目前虽然科研界和产业界做了数十年的尝试,仍然无法消除多针头纺丝固有的不均匀问题。如图3所示多针头所纺纤维互相排斥,在接收端形成斑块结构。图3内容来自权威科研杂志XXX。
图3. 多针头纺丝器件及纺丝结果。
有的科研人员和企业希望采用针头交错运动来解决这个问题,但是经过十余年的尝试,最终也无法解决多针头方式带来的不均匀问题,原因在于纤维喷射是动态的,从而导致不同针头所纺纤维的分布不均匀也是动态的,所以简单的交错运动无法达到设想的效果。图4所展现的就是针头通过交错往复运动生产出来的样品外观,从图中可以明显的看出来制作的样品表面纤维仍然不均匀,纤维在有些地方沉积密集,有的地方沉积稀疏。
图 4. 多针头通过交错往复运动生产出来的样品外观。
这种纤维沉积的不均匀对静电纺丝纤维在过滤方面的应用危害很大,因为会使过滤效率和透气量难以优化,并且容易产生纤维稀疏区域的“击穿”问题,一旦“击穿”出现,那将危害很大,例如对内燃机、燃气轮机的粉尘摩擦危害。图5为多针头纺丝设备在工业滤纸上覆膜纺丝的效果,我们可以模糊的分辨出有序的(这里是菱形)厚薄不均。这里也建议,如果用户在乎材料的均匀度,那么可以要求供应商提供“非白色”(最好是颜色鲜艳)衬底的静电纺丝覆膜样品。
图 5. 多针头静电纺丝在蓝色滤纸上覆膜的不均匀实例