Высоковольтное электростатическое прядение как высокоэффективная технология подготовки нановолокна, благодаря его простой технологии, контролируемому диаметру волокна (50 нм - 10 мкм) и широкой адаптации материалов и другим преимуществам, в биомедицине, фильтрующих материалах, хранении энергии и других областях демонстрирует огромный потенциал применения. В этой статье систематически анализируются основные принципы высоковольтного электростатического прядильного оборудования из трех аспектов: механизм действия электрического поля, поведение струи раствора и процесс формования волокон.

　　I. Механизм формирования струи под действием электрического поля

Основной принцип высоковольтного электростатического прядильного оборудования заключается в использовании высоковольтного электрического поля (обычно 5 - 30 кВ) для заряжения полимерного раствора или расплава, когда электрическое поле преодолевает поверхностное натяжение раствора, образуя конус Тейлора и выбрасывая заряженную струю. Его физический процесс можно разделить на три этапа:

1. Стадия накопления заряда

Через высоковольтное питание, индуцирующее распределение заряда на поверхности раствора, плотность заряда на поверхности раствора (сигма) удовлетворяет соотношению с интенсивностью электрического поля (E): сигма = Эпсилон rE, в котором Эпсилон = вакуумная диэлектрическая константа, а Эпсилон r - относительная диэлектрическая константа раствора. Когда электрическое поле, создаваемое поверхностным зарядом (F e = сигма E), превышает поверхностное натяжение раствора (F s = 2 π r γ, r - радиус капли, а γ - поверхностное натяжение), капля деформируется до конуса Тейлора.

2. Стадия неустойчивого растяжения струи

После того, как заряженная струя покидает конус Тейлора, она создает неустойчивость изгиба из - за отталкивания между зарядами, в то время как электрическая сила продолжает растягивать струю, так что ее диаметр резко падает с сотен микрон до наноуровня за микросекунды. В этом процессе растворитель быстро улетучивается или охлаждается и отверждается расплавом, образуя первичные волокна.

3. Этапы осаждения и отверждения волокон

Заряженное волокно летит к панели сбора под действием электрического поля и может контролировать направление расположения волокон, регулируя скорость движения панели сбора (0,1 - 10 м / с) и распределение электрического поля. Для расплавленного прядения необходимо точно контролировать температуру расплава, чтобы избежать разрыва волокон.

　　II. Влияние ключевых технологических параметров на форму волокон

1. Интенсивность напряжения: повышение напряжения (10 - 25 кВ) усиливает электрическую силу поля, уменьшает диаметр волокна, но чрезмерное напряжение (> 30 кВ) легко вызывает искровой разряд, приводящий к прерыванию прядения;

2. Концентрация раствора: слишком низкая концентрация (< 5 Вт%) приводит к разрыву струи, а высокая концентрация (> 20 Вт%) затрудняет образование конуса Тейлора из - за чрезмерной вязкости;

3. Расстояние приема: увеличение расстояния (10 - 30 см) увеличивает время испарения растворителя, уменьшает клейкость волокон, но слишком большое расстояние снижает силу электрического поля, влияющего на эффект растяжения;

4. Параметры окружающей среды: повышение влажности (> 60% RH) замедляет испарение растворителя, что приводит к неравномерному диаметру волокон; Повышение температуры (25 - 60°C) снижает вязкость раствора и способствует стабильности прядения.

　　III. Расширение типичных сценариев применения

1. биомедицина: подготовка полилактатных (PLA) нановолокнистых стентов для клеточной адгезии и размножения в тканевой технике;

2. Воздушная фильтрация: подготовка нановолокнистой пленки PVDF с помощью электростатического прядения, эффективность фильтрации PM0.3 составляет 99,97%;

3. Энергетический сектор: использование углеродного нановолокна на основе PAN в качестве отрицательного материала для литий - ионных батарей с удельной емкостью более 500 мАч / г.

Высоковольтное электростатическое прядильное оборудование реализует многомерное структурное управление от микро до макроскопического путем точного регулирования электрического поля и поведения потока раствора. С прорывами в таких технологиях, как многоигольчатый массив и прямая запись в ближнем поле, процесс его промышленного применения постоянно ускоряется.