目录
静电纺丝是什么?
静电纺丝是一种电压驱动的制造过程，由特定的电流体动力学现象控制，其中小纤维从聚合物溶液中产生。这项技术最基本的设置包括一个包含在储液器中的溶液-通常是一个注射器-顶端有一个钝针(至少对于针基静电纺丝来说是这样)，一个泵，一个高压电源和一个收集器。
当针尖和集电极之间通过施加指定电压建立电场时，纺丝过程开始。当泵使溶液以恒定的速度流动时，电荷就会积聚在液体表面。很快就会达到一个点，在那里静电斥力大于表面张力，导致液体半月板变形成一个锥形结构，称为泰勒锥。这可以在下面的视频中清楚地看到，因为流动从滴落到针尖上的带电锥形结构。
一旦泰勒锥形成，带电液体喷射向收集器。集热器的几何结构不同，有多种形式:平板、旋转鼓、芯轴和圆盘，但这些不是唯一的变化。
如果溶液粘度在一定的阈值内，随着溶剂的蒸发，该技术会生成固体纤维。所述锥体与收集器之间发生剧烈的鞭笞运动，导致在收集器上沉积了一层无纺布纤维垫。
静电纺丝工艺简介
电纺的纤维
静电纺丝应用于多个行业:生命科学、生物纺织品、生物医学工程、电池研究以及纳米纤维材料的整体开发、生产和商业化。这种纤维的直径一般在几十纳米到几微米之间。与其他制造方法相比，静电纺丝技术的主要优势之一是它的多功能性，可以创建具有多种排列(例如对齐的纤维、随机方向或它们的组合)和形态结构(例如管状支架、平面和不对称配置)的纤维。
静电纺丝技术的普及使得组织工程、再生医学和生物活性分子封装等多种技术在过去十年中出现并显著发展。
如今静电纺丝不仅仅是学术研究的专利;作为一种具有实际商业应用的技术，它已经得到了广泛的认可和应用。世界各地的多个行业已经在新产品创新的开发中采用了这种技术。
一些从静电纺丝中受益并积极使用静电纺丝的应用是组织工程(Phoenix Wound Matrix®，NanoAligned)TM, NanoECMTM, NanoCareTM, NanoMeshTM， Absorv®，TegadermTM)，药物输送(Rivelin®Patch)，食品封装，绝缘材料，能量转换和存储，以及空气(Proveil)和水过滤等。这些类型的最终样品通常通过当前的良好制造流程(cGMP)，通过食品和药物管理局(FDA)的许可，和/或遵循医疗设备的ISO-13485和ASTM国际的F3510-21等指南，这是用于组织工程医疗产品的纤维结构的标准指南。万博manbetx主页
静电纺丝组件
液体供给系统
常用的注射泵系统可以以0.1 μ L/h至6,000 mL/h的速率每批输送高达140 mL的溶液。同时，加压液体输送系统包含多体积的溶液，从几毫升到数千毫升不等，而且还可以以半连续模式呈现。
纺丝过程中的聚合物熔体或溶液通过注射泵或加压液体输送系统以恒定的流量输送。在涉及注射泵的情况下，溶液通常包含在玻璃或塑料注射器中;而带有加压液体供给系统的情况下，将溶液包含在储层内，因此可以以半连续的方式输送。
电源
使用电压可调的高压电源通过极化发射器来启动纺丝过程。研究人员在制造纳米和微尺度的静电纺丝纤维时，使用了高达50千伏的电压。
为了收集静电纺纤维，收集器通常被接地，将它们吸引到特定的区域。虽然对于小厚度的集热器接地效果很好，但纤维有时会被收集到不利的位置。为了改善光纤的收集，对集电极施加负电压是有利的。这一动作最大限度地提高了发射极-集电极的电压降，从而提高了静电纺丝过程中的纤维产量。
发射器
各种规格和颜色的针的广泛收集
纺丝头发射器用于针基静电纺丝，其中可以实现多种配置。这些毛细管针可以配置为单、同轴和多轴相位发射器。
在单相中，只有一种液体流过喷嘴，形成具有单一结构的纤维。在同轴模式下，光纤可以发展为核壳结构-特别是当需要封装时-或分裂结构，即Janus纤维。多轴相是制造纤维的第三种方法，一次可以纺出两种以上的溶液。
典型的静电纺丝头由一根毛细管针组成。然而，为了提高静电纺丝纤维的产量，在纺丝头中采用了多个平行发射器。由于所有的发射器都从相同的溶液馈送，因此提高了生产率和纤维产量。
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 25日计 颜色: 外径:0.52 mm 内径:0.25 mm |
23日计 颜色: 外径:0.65 mm 内径:0.33 mm |
22日计 颜色: 外径:0.72 mm 内径:0.41 mm |
20计 颜色: 外径:0.91 mm 内径:0.61 mm |
15计 颜色: 外径:1.65 mm 内径:1.36 mm |
14号 颜色: 外径:1.83 mm 内径:1.54 mm |
|
|
|
| 25日计 颜色: 外径:0.52 mm 内径:0.25 mm |
23日计 颜色: 外径:0.65 mm 内径:0.33 mm |
22日计 颜色: 外径:0.72 mm 内径:0.41 mm |
|
|
|
| 20计 颜色: 外径:0.91 mm 内径:0.61 mm |
15计 颜色: 外径:1.65 mm 内径:1.36 mm |
14号 颜色: 外径:1.83 mm 内径:1.54 mm |
收藏家
一旦在纺丝过程中凝固，静电纺纤维可以收集到各种各样的收集器，这些收集器大多由静止和旋转平台组成。这些收集器将对静电纺样品的最终设计产生重大影响。固定收集器通常是平板来收集随机纤维，其中区域的范围可以调整到所需的限制。旋转收集器包括磁盘、芯轴和鼓，所有这些都有各种各样的尺寸。芯轴由于直径短，纤维的聚集方向是随机的。相反，如果直径/长度比和转速足够高，圆盘和鼓能够收集高度对准的结构。较大的线速度允许纤维在收集过程中拉伸，并倾向于鼓励高度对齐。
平板
维度:
40厘米x40厘米(长x宽)
功能:
随机纤维、粒子和3D结构
鼓
维度:
20厘米x30厘米(长x长)
功能:
随机排列纤维;粒子的收集
芯棒
维度:
5毫米x 30厘米(深x长)
功能:
血管和空心圆柱形样本
磁盘
维度:
20cm × 1mm(深×长)
功能:
排列的纤维和纱线
精密卷绕对位
维度:
50厘米×卷容量(宽×长)
功能:
随机纤维和颗粒
静电纺丝中使用的典型聚合物
静电纺丝技术提供了加工各种材料的优势，包括混合良好和/或悬浮在溶液中的聚合物和添加剂。静电纺丝中使用的聚合物主要有三种类型，根据来源进行分类:天然、合成和半合成聚合物。
天然聚合物像明胶和胶原蛋白是从天然来源中分离出来的，通常用于组织工程等应用，因为它们具有生物相容性和生物降解性。
合成聚合物,顾名思义，是为满足应用需求而设计的人造聚合物。合成聚合物如聚己内酯和尼龙6,6的一些优点是它们的低成本和易于调整聚合物的性能，如机械性能，降解率和熔点。
半合成的聚合物源自天然聚合物，但经过化学处理以改变其化学结构。例如，醋酸纤维素是一种化学改性聚合物，由纤维素与醋酸反应而来。
| 类型 | 名字 | 缩写 | 常见的来源 | 应用程序* | 溶剂使用^ |
| 自然 | 藻酸盐 | 艾尔 | 藻类 | TE,弟弟 | W＆ |
| 壳聚糖 | CS | 甲壳类动物、真菌 | DD | 六、钨 | |
| 胶原蛋白 | 轻型导弹巡洋舰 | 牛 | TE | 六、钨 | |
| 纤维蛋白原 | FGN | 牛 | TE | W | |
| 明胶 | 凝胶 | 牛,猪 | Te md dd | Aa, hfp, w | |
| 透明质酸 | 哈 | 牛 | TE | W | |
| 类型 | 名字 | 缩写 | 常见的来源 | 应用程序* | 溶剂使用^ |
| 半合成 | 醋酸纤维素 | CA | 230 - 300 | 医学博士F | A aa HFP |
| 三乙酸纤维素 | CTA | 120 - 300 | 医学博士F | A aa HFP | |
| Polybutylenesuccinate | 美国公共电视台 | 112 - 115 | 《外交政策》 | 六氟 | |
| 合成 | 尼龙6,6 | 摘要 | 262 | F | AA,六 |
| 聚丙烯腈 | 锅 | 317 | E | DMAc | |
| 聚已酸内酯 | PCL | 59 - 64 | Te md dd | A aa chf dcm ma HFP | |
| Polydioxanone | PDO | 110 | Te md dd | 六氟 | |
| Polyethersulfone | PES | 227 - 238 | E | DMAc: nMP(挺) | |
| 聚氧化乙烯 | PEO | 65 | 医学博士 | W | |
| 聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 宠物 | 260 | Te md dd | 六氟 | |
| 聚乙醇酸 | PGA | 224 - 230 | Te md dd | 六氟 | |
| Polyhydroxybutyrate | 的PHB | 170 - 180 | Te md dd fp | 六氟 | |
| 聚乳酸 | 中国人民解放军 | 160 - 180 | Te md dd | 六氟 | |
| Polylactic-co-glycolic酸 | PLGA | 225 - 230 | Te md dd | 六、四氢呋喃 | |
| 聚四氟乙烯 | 聚四氟乙烯 | 327 | 医学博士 | W＆ | |
| 聚乙烯醇 | PVA | 200 | 医学博士,弟弟 | W | |
| 聚偏二氟乙烯 | PVDF | 177 | F | DMAc | |
| 聚乙烯吡咯烷酮 | PVP | 150 - 180 | F | Chf, dmf, w | |
| 热塑性聚氨酯 | 聚氨酯 | 110 - 280 | Te md dd | DMAc |
*:DD =药物输送，E =能量，F =过滤，FP =食品包装，MD =医疗器械，TE =组织工程。
＾：这不是用于产生静电纺丝溶液的溶剂的广泛列表。有关溶剂的更多信息，请参阅“溶剂选择”。
&:通常需要载体聚合物来生成纤维。
不同静电纺丝材料的微观结构形态实例
HFP中的PCL
AA中的PCL
PCL在DCM中
HFP中的PLA
HFP中的PBS
DMF中的PAN
方案参数的影响
为了获得可重复的静电纺样品，待处理的聚合物或非聚合物溶液本身需要是可重复的。否则，得到的结果不一致，尽管在批次之间保持所有静电纺丝参数相同。在静电纺丝纳米和超细纤维的开发中，保持批与批一致性的一些关键参数是粘度、导电性和表面张力——所有这些都受到聚合物、溶剂和添加剂选择的影响。另外，还测量了固体含量和溶剂选择等其他因素，以分别维持溶液的重现性和操纵纤维形态。最重要的是，在静电纺丝加工之前，溶液应该充分混合和均匀。
粘度
粘度是静电纺丝的关键特性之一，受聚合物分子量的影响(当然还包括溶液浓度和溶剂的选择)。理论上，分子量越大，浓度越高，粘度越高。与聚合物结构有更多相互作用的溶剂也倾向于产生具有更高粘度的溶液。
一方面，在射流形成过程中，使用高粘性溶液处理会导致聚合物链纠缠。这些纠缠是静电纺丝纤维结构特征的来源。另一方面，处理低粘度的溶液会导致聚合物在过程中纠缠不足，导致聚合物射流破裂并形成颗粒而不是纤维。这是另一种强大的过程电子喷雾．
导电率
溶剂和聚合物含量会影响溶液的整体导电性。具有较高导电性的溶液倾向于生成无珠纤维。溶剂质量和添加剂也会影响整个溶液的导电性。这就是为什么使用相同的溶剂等级应该保持允许溶液重现性的原因之一。
例如，一些溶剂含有添加剂或稳定剂，然后影响溶液的导电性和可纺性，最终。无机盐和有机盐以及表面活性剂可以选择性地控制溶液的导电性。当增加溶液的整体电荷密度时，可以优化静电纺丝过程中形成的射流，以促进无珠纤维的形成。
溶剂的选择
总是需要一种能够溶解聚合物和添加剂的溶剂，同时保持溶液均匀。理想情况下，聚合物溶液中的溶剂应在静电纺丝过程中完全蒸发。否则，产生的纤维可能被浸湿，导致纤维-纤维熔接。
科学家必须注意溶剂的性质，以避免不良的缺陷。溶剂的主要性质是沸点、电导率和蒸汽压。使用低沸点的溶剂会导致完全蒸发。然而，如果它蒸发得太快，聚合物会堵塞针头，从而破坏整个过程。为了解决这个问题，可以选择蒸汽压较低的溶剂。纤维直径也会受到沸点和导电性的影响。一般来说，低沸点的低导电性溶剂容易形成高纤维直径。相反的关系适用于蒸汽压和介电常数。例如，当使用高沸点溶剂(如醋酸)时，已经在纳米尺度上生成了聚己内酯(PCL)纤维。此外，微尺度PCL纤维形成于低沸点溶剂，如二氯甲烷(DCM)或1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇(HFIP)。
溶剂表
| 溶剂的名字 | 溶剂缩写 | 沸点(°C) | 20°C时的蒸汽压(mmHg) | 介电常数 | 20℃时的表面张力(mN/m) | 20℃时密度(g/mL) |
| 醋酸 | AA | 118 | 11.4 | 6.2 | 27 | 1.049 |
| 丙酮 | 王牌 | 56 | 185.5 | 21.5 | 25.2 | 0.788 |
| 氯仿 | 瑞士法郎 | 61 | 160 | 4.8 | 27.5 | 1.489 |
| 二氯甲烷 | 扩张型心肌病 | 40 | 353 | 8.93 | 26.5 | 1.326 |
| N, N-Dimethylacetamide | DMAc | 166 | 2.25 | 37.8 | 36.6 | 0.937 |
| N, N-Dimethylformamide | DMF | 152 | 2.3 | 36.7 | 37.1 | 0.945 |
| 二甲亚砜 | DMSO溶液 | 189 | 0.42 | 46.7 | 43.54 | 1.096 |
| 乙醇 | EtOH | 78 | 44.63 | 24.5 | 22.1 | 0.789 |
| 乙酸乙酯 | EA | 77 | 73 | 6．0 | 23.9 | 0.901 |
| 甲酸 | 足总 | 101 | 42.97 | 57.9 | 37.67 | 1.221 |
| 甘油 | 通用电气 | 290 | 0.0002 | 13.2 | 63.4 | 1.261 |
| 己烷 | HX | 69 | 124 | 1.9 | 18.43 | 0.659 |
| 1, 1, 1, 3, 3, 3-Hexafluoro-2-propanol | 六氟 | 58 | 120.01 | 15.7 | 14.7 | 1.596 |
| 异丙醇 | 异丙醇 | 82 | 33 | 17.9 | 23 | 0.786 |
| 甲醇 | 甲醇 | 65 | 126.76 | 32.7 | 22.7 | 0.791 |
| 乙酸甲酯 | 妈 | 57 | 216.02 | 8．0 | 24.8 | 0.932 |
| N-Methyl-2-pyrrolidone | nMP | 202 | 0.29 | 33.0 | 40.79 | 1.026 |
| 四氢呋喃 | 四氢呋喃 | 66 | 127 | 7.6 | 26.4 | 0.888 |
| 水 | W | One hundred. | 18 | 80.3 | 72.8 | 0.998 |
表面张力
如前所述，静电纺丝依赖于静电力克服溶液的表面张力。因此，表面张力低的溶液通常是静电纺样品显影的首选溶液。表面张力受聚合物浓度、溶剂选择(单溶剂或共溶剂体系)和添加剂(如表面活性剂)的影响。在测量表面张力时，根据溶液的性质，建议使用针基静电纺丝过程中使用的同一类型的针规，因为众所周知针规本身往往会影响表面张力。
固体含量
固体含量也被测量，以确认溶液已正确制备。为此，通常使用水分分析仪。根据经验，较高的溶液浓度(或固体含量)意味着较高的纤维直径。
静电纺丝工艺参数
一旦得到均匀和混合良好的溶液，静电纺丝过程就可以开始。为了考虑样品的再现性，必须监测和记录多个静电纺丝参数，以考虑可再现的纤维形态和批次到批次样品的一致性。参数说明如下。
电压
针电压
为了启动静电纺丝过程，需要在针上施加电压，使电荷积聚并克服表面张力。通常采用正电压;同时，也可以采用负电压启动该过程。
针中较高的正电压通常会改善拉伸和电场，导致形成更小的纤维直径。一些研究看到了相反的情况，或者对纤维直径没有影响，因为它取决于要处理的系统。
集电极电压
虽然收集器通常是接地来收集静电纺纤维，但研究人员经常在收集器中使用与针相反的电荷(相反的电荷相互吸引)。
负电压是改善样品沉积、减小样品沉积宽度、适当收集所有产生的纤维、防止它们由于电荷排力而穿过纺丝室、改善最终样品表面形貌以提高堆积密度的关键(见下图)。
一个关于集电极电压如何影响光纤沉积的例子- - - - - -
下图为三例变电压聚己内酯静电纺丝。每个会话通过圆柱形心轴收集器的实现保持一致，会话仅在收集器偏差分别为0 kV， -5 kV和-15 kV。随着偏置的增加，显然会出现更薄和更集中的沉积。
Needle-Collector距离
Needle-to-collector距离D
针距集电极距离是静电纺丝过程中影响电场的重要因素。为了获得干燥和无缺陷(如纤维-纤维结合)的静电纺纤维，需要适当地选择针到集电极的距离，使溶剂在纤维从针到集电极的过程中通过弯曲和搅拌运动完全蒸发。
减小针到集电极的距离可以减少行进时间，但也会使纤维变湿。然而，一些应用受益于更少的旅行时间，以诱导小的光纤连接。纤维-纤维粘接的目的是提高力学性能或在彼此之间粘两层，避免分层。
针的平移和速度
大多数研究人员进行的是所谓的“静态针基”静电纺丝。虽然这对于样品的开发和优化来说已经足够了，但最终的样品将不会有均匀的厚度，因为将会形成一个钟形厚度。如果研究人员正在评估机械性能，药物输送，样品的过滤能力，以及最终静电纺材料的其他参数，在样品开发过程中，一致的厚度是关键。
为了提高样品厚度，针翻译允许更均匀的分布(与静态沉积相比)。针的位移也有助于获得更大的样品，结合针的使用数量，通量也将显著提高。使用小型地板级静电纺丝设备，结合针平移开发的样品的典型宽度可达60厘米。
针的位移与针的速度相结合，在最终的静电纺样品中获得均匀分布的厚度。典型的平移速度在1到100毫米/秒之间。虽然当针以较慢的速度平移时，更多的物质将沉积在较小的区域，但在相同的时间内，以较快的速度平移会发生相反的情况。
流量和注射器类型/尺寸
找到一个理想的流速能够保持稳定的泰勒锥是理想的，是已知的依赖于溶液。静电纺丝过程中溶液流速的增大导致最终纤维直径增大。如果用注射泵生成样品，最好知道你的注射器材料(例如塑料，特氟龙和玻璃)，类型(BD塑料，汉密尔顿等)和直径(例如注射器柱塞位移会影响分配的体积)。
针尺寸
钝针通常用于针基静电纺丝。常用的针规为14 ~ 26 Ga(内径1.600 ~ 0.260 mm;注意，随着针距的增加，内径减小)，针长度为0.5至2英寸。
选择合适的内针直径是防止溶剂蒸发堵塞针头的关键。根据经验，低针规(例如14 Ga)更适合于高粘度的溶液，高针规针(例如26 Ga)更适合于低粘度的溶液。
集热器尺寸和转速
静电纺纤维可以在不同类型的收集器中收集，以满足应用需求。平板收集器是最常用来获取随机取向和表面平坦的纤维。这种类型的收集器的典型应用是用于药物输送，伤口愈合和能量存储，需要一个大的表面积。
筒式集热器(外径通常为> 5cm)是通过静电纺丝技术收集纤维的另一个例子。使用转鼓的优点之一是，根据转鼓直径和转速(如线速度)，可以获得随机或对齐的纤维。在高线速度下，人们通常会获得对齐或超对齐的纤维，可用于细胞增殖或增加样品的力学性能，如抗拉强度。在另一方面，使用低线速度将允许获得随机取向的纤维。与静电纺丝技术一起常用的其他收集器有用于生成人工血管或药物输送胶囊的小芯轴，用于生成对准纤维的旋转圆盘，以及用于半连续或连续过程中产生纤维的卷对卷收集器。
样品采集底物
纤维的堆积密度会受到捕集器中使用的基板类型的影响。铝箔是一种廉价的导电材料，常用于静电纺丝领域收集纤维。使用铝箔作为基底的主要问题之一是样品去除后处理不容易，材料会粘在其表面，去除后产生变形样品。
非导电收集器可以作为收集纤维的一种选择，但随着时间的推移，电荷会积聚，使纤维飞离收集器，产生较低的堆积密度。我们发现，导电性和非导电性材料的组合可以很好地改善样品收集，并使样品易于去除，如图所示。
这是否意味着在样品开发过程中总是需要使用基板?不是真的。如果你的材料和应用需要允许，你可以直接电纺到你想要的集电极上，或者在你想要涂上电纺纤维的表面。例如，使用具有良好机械性能的聚合物材料，如聚乳酸，可以很容易地从芯轴收集器中去除样品，如图所示。另一个例子是，当用静电纺材料涂层支架以提高生物相容性时，在这种情况下，不需要去除纤维，因为它们将沉积在预期的表面上。
温度及相对湿度
加工温度和相对湿度的监测是静电纺丝再现性的关键。溶剂蒸发速率和溶液粘度受温度的影响。在高温下，粘度将降低，允许用户获得更小的纤维，因为射流的拉伸增加。相对湿度影响溶剂蒸发速率，进而影响纤维的微观结构和连续可纺性。
例如，如果在溶液中使用低沸点溶剂和低RH静电纺丝可能会导致针堵塞。这是不理想的，因为泰勒锥不会随着时间的推移而保持，导致过程不是连续的。同时，如果使用高RH，水滴会积聚在纤维表面，导致纤维具有多孔结构。理想的目标是优化环境条件，允许稳定的泰勒锥，随着时间的推移，不会发生针堵塞，溶剂在过程中成功蒸发，并且在样品中遇到非期望的缺陷(例如纤维-纤维结合，纤维珠状，纤维束，颗粒等)。
空气流
为了改善溶剂的蒸发，可以在静电纺丝室中以所需的速度引入气流。这个参数，结合腔内的微负压，目前在现场更经常使用，以适当地去除样品处理过程中的蒸发溶剂。使用的典型气流为50至180米3./h，同时持续保持温度和相对湿度超过一分钟。
气流也在同轴模式下使用，其中待静电纺丝的溶液穿过芯针，气体(例如空气和氮气)流过针。这一过程被称为气体辅助静电纺丝，其中加压气体通过改善溶剂蒸发来辅助静电纺丝过程。应用热风也是另一种被称为热风气体辅助静电纺丝的替代方法，在需要时进一步改善溶剂蒸发。第三种方法是在针周围使用溶剂蒸汽，以防止在静电纺丝过程中容易堵塞针的溶液堵塞针。最后，吹纺丝是一种替代方法，在针中不施加电压，但在样品开发过程中只施加压力空气。