自從1934年Formhals的第一個高壓靜電紡絲設備專利問世以來,我們已經走過了80年的歷程。人們在努力著、奮斗著,使得高壓靜電紡絲技術不斷地發展和完善。這一發展主要涉及到高壓靜電紡絲設備的紡絲效率問題,這是保障納米纖維能夠走進應用的基本保障。
不言而喻,高壓靜電紡絲高效性與紡絲裝置的有效有關。通常,該裝置包括三個組成部分:噴絲頭、高壓電源、接收板。其中,噴絲頭的類型是決定高效率的關鍵。根據已報道的噴絲類型,我們可以把它們分為點發射、線發射和面發射,它們又可以進一步被分為高壓靜電式和輔助高壓靜電式。
人們最常采用的是點發射(即針頭式),它是通過增加噴頭的數量來提高紡絲效率的,針頭數目從幾個至上千個不等,為了進一步提高效率,人們還采用了壓力泵和負壓等輔助方式,通過壓力或氣流輔助等手段實現高效率紡絲;線發射是通過場強最大化來提高紡絲效率的,它包括直線型、圓盤式、螺旋型,顯然是發射線越長發射效率越大;而面發射多指無針頭發射技術,是通過擴大發射面積來提高紡絲效率的,外力(如:離心力、磁擾動、超聲波、氣泡)附加時,紡絲效率會大大提高。
問題是哪一種裝置的紡絲效率會更高?它同時又具有實用性和成本低等優點?我們可以把高壓靜電場下,在射流剛要運動的一瞬間,點(針頭)—接收平板間和柱(輥或線)—接收平板間的近似最大電場強度Em可以分別寫作:
公式:
設施加的電壓U是30 kV,對電極間的距離d是200 mm,單噴嘴的半徑r是1 mm,面的半徑(輥式)r是150 mm,線發射的半徑(狹縫)r是0.25 mm,經上述公式計算,它們的最大電場強度分別為:Emd≈270 kV/cm,Emx≈160 kV/cm, Emm≈6.7
kV/cm (d: 點發射;x:線發射;m: 面發射)??梢婞c發射的電場強度最大,面發射的最小,線發射位于其中。在單位時間和單位面積上的相應紡絲效率也遵循這個順序:點發射>線發射>面發射。當施加輔助外力時,紡絲效率將有所提高。我們通過高壓靜電梭、電子梭、動態電子梭、氣動梭的發明來證實這一結論。
高壓靜電梭(專利號:ZL201110041949.2)屬于線發射的一種,利用了狹縫容器邊緣效應。當紡絲液靠重力溢至噴口邊緣時,就會形成大量的泰勒錐,導致射流快速發射和劈裂。紡絲液靠自身的重量,發生溢流,導致液體的不斷供給,構成連續紡絲。當梭口尺寸為14 mm(長)×0.5 mm(寬)的狹縫、電壓30
kV、接收距離為120 mm時,PVP的紡絲效率0.01 g/分鐘,平均直徑為350
nm。
高壓靜電電子梭(專利號:ZL201110217431.x)屬于輔助式面發射范疇。它把高壓靜電紡絲技術與超聲波技術相結合,使得高壓紡絲液面發生擾動,從而形成大量的泰勒錐以及射流,適合于極性相對小的紡絲溶液(如:DMF、乙醇、THF溶劑等)。當電壓70
kV,接收板距離33.5 cm,10mlPVP在8分鐘內紡絲完畢,紡絲效率約0.043g/分,平均直徑為300 nm。
高壓靜電動力梭(申請號:CN201410094376.3)屬于輔助式單噴頭技術。讓電紡絲溶液通過氣壓原理進入噴絲管,同時施加高壓靜電場和超聲波,在空氣的作用下紡絲液快速噴出。纖維膜均勻,效率很高。在紡制25%的PET三氟乙酸溶液時,電壓為80kV,接收板高度33.5cm,紡絲效率0.08g/min,平均直徑為200nm。
在我們的研制范圍內,紡絲效率是從靜電梭到動力梭不斷增加的。但是,不要忘記,依據高分子種類的不同,紡絲效率還是不一樣的。