Como tecnología eficiente para la preparación de nanofibras, el hilado electrostático de alta tensión muestra un gran potencial de aplicación en biomedicina, materiales filtrantes, almacenamiento de energía y otros campos con sus ventajas de proceso simple, diámetro controlable de la fibra (50 nm - 10 micras) y amplia adaptabilidad de los materiales. En este trabajo, los principios básicos del equipo de hilado electrostático de alta tensión se analizan sistemáticamente desde tres aspectos: el mecanismo de Acción de la fuerza eléctrica, el comportamiento del chorro de solución y el proceso de formación de fibra.

　　I. mecanismo de formación de chorros impulsado por la fuerza del campo eléctrico

El principio central del equipo de hilado electrostático de alta tensión es utilizar un campo eléctrico de alta tensión (generalmente de 5 - 30 kv) para cargar la solución de polímero o el derretimiento. cuando la fuerza del campo eléctrico supera la tensión superficial de la solución, se forma un cono de Taylor y se expulsa un chorro cargado. Su proceso físico se puede dividir en tres etapas:

1. fase de acumulación de carga

La distribución de la carga eléctrica se induce en la superficie de la solución a través de una fuente de alimentación de alta tensión, y la densidad de carga en la superficie de la solución (sigma) satisface la relación con la intensidad del campo eléctrico (e): Sigma = epsilon, de los cuales Epsilon es la constante dieléctrica de vacío y epsilon R es la Constante dieléctrica relativa de la solución. Cuando la fuerza eléctrica generada por la carga superficial (f e = Sigma e) supera la tensión superficial de la solución (f S = 2 Pi R gamma, R es el radio de la gota y gamma es la tensión superficial), la gota se deforma en un cono Taylor.

2. fase de estiramiento inestable del chorro

Después de que el chorro cargado sale del Cono taylor, la inestabilidad de flexión se produce debido al repunte entre cargas eléctricas, mientras que la fuerza del campo eléctrico continúa estirando el chorro, lo que hace que su diámetro caiga bruscamente de cientos de micras a nanómetros en un tiempo de microsegundos. En este proceso, el disolvente se volatiliza rápidamente o se enfría y solidifica para formar fibra primaria.

3. fase de depósito y curado de fibras

Las fibras cargadas vuelan hacia la placa de recolección bajo la acción de un campo eléctrico, y la dirección de disposición de las fibras se puede controlar ajustando la velocidad de movimiento de la placa de recolección (0,1 - 10 m / s) y la distribución del campo eléctrico. Para el hilado de fusión, es necesario controlar con precisión la temperatura de fusión para evitar la rotura de la fibra.

　　2. efectos de los parámetros clave del proceso en la morfología de la fibra

1. intensidad de tensión: el aumento de la tensión (10 - 25 kv) puede aumentar la fuerza del campo eléctrico y reducir el diámetro de la fibra, pero la Sobretensión (> 30 kv) puede desencadenar fácilmente la descarga de chispas y causar interrupción del hilado;

2. concentración de la solución: la concentración demasiado baja (¿ 5wt%) conduce a la ruptura del chorro, mientras que la concentración demasiado alta (> 20wt%) dificulta la formación de conos de Taylor debido a la viscosidad excesiva;

3. distancia de recepción: el aumento de la distancia (10 - 30 cm) prolonga el tiempo de volatilización del disolvente y reduce la adherencia de la fibra, pero una distancia demasiado larga reducirá la intensidad del campo eléctrico y afectará el efecto de tracción;

4. parámetros ambientales: el aumento de la humedad (> 60% rh) retrasará la volatilización del disolvente, lo que dará lugar a un diámetro desigual de la fibra; El aumento de la temperatura (25 - 60 ° c) puede reducir la viscosidad de la solución y promover la estabilidad del hilado.

　　3. expansión de escenarios de aplicación típicos

1. biomedicina: preparación de stents de nanofibra de ácido poliláctico (pla) para la adhesión celular y la proliferación en la ingeniería de tejidos;

2. filtración de aire: preparación de membranas de nanofibra PVDF a través del hilado electrostático, con una eficiencia de filtración del 99,97% en pm0.3;

3. en el campo de la energía: el uso de nanofibras de carbono a base de PAN como material negativo para baterías de iones de litio ha aumentado su capacidad específica a más de 500 Mah / G.

El equipo de hilado electrostático de alta tensión ha logrado un control estructural a múltiples escalas, desde micro hasta macro, regulando con precisión la fuerza del campo eléctrico y el comportamiento teológico de la solución. Con los avances en tecnologías como la matriz de múltiples agujas y la escritura directa de campo cercano, su proceso de aplicación industrial se está acelerando.