概述
使用静电纺丝技术有两种独特的方法可以制造纤维:针基静电纺丝或无针静电纺丝。这两种方法的不同可能使得其中一种比另一种更适合于特定的应用，但这两种方法都是制造功能纳米材料的简单方法。下图强调了静电纺丝技术的灵活性，以及基于针和无针静电纺丝系统可能的许多不同设置。
Needle-based电纺
顾名思义，基于针的静电纺丝涉及到毛细管的使用(也称为针，喷嘴或发射器)。有许多类型的毛细管有利于良好的静电纺丝过程，包括一次性聚丙烯吸管尖端，和可重复使用的针由聚四氟乙烯或不锈钢制成的聚丙烯轮毂连接。一旦选择的针或发射器连接到它的支架上，溶液以预定的流速流过它，理想情况下，当施加电压时，应该形成泰勒锥。稳定泰勒锥的形成是静电纺丝过程稳定连续的重要标志。使用这种基于针的设置，还可以形成具有芯和壳的光纤(也称为同轴光纤)，甚至具有多个空腔的多轴光纤。
溶液包含在一个密封的容器中
在针式静电纺丝装置中，溶液被包含在一个密闭的储液池中，这最大限度地减少了溶剂随时间的蒸发。这确保了精心配制的溶液保持其所需的性质，如浓度，粘度和表面张力。封闭溶液的稳定性也支持批量到批量的一致性，一旦静电纺丝加工参数已优化的样品开发。在实践中，最大限度地提高批次之间的一致性和保持样品的可重复性，最容易实现的是使用新鲜和混合良好的不超过3天的溶液。保持溶液封闭的另一个关键好处是，它为使用各种高挥发性材料(如氯仿、二氯甲烷和醋酸甲酯)提供了一种安全方法。
针基静电纺丝泰勒锥形成
在一个完美的静电纺丝过程中，形成的泰勒锥的数量应该与设置中使用的针的数量直接相关。在这种理想的情况下，每个泰勒锥都是由于针上的集中电荷(通常是直流高压)而形成的，溶液以恒定的流速通过。对于需要高通量制造纳米材料的工业应用，可以使用几根针、几十根针，甚至数千根针来实现许多不同配置的多针设置，如下所示的工业规模Fluidnatek高通量(HT)的情况。
在加工过程中严格控制流量
基于针的静电纺丝系统提供了对形成纤维的溶液的进料速率的控制。在大多数情况下，溶液包含在一个注射器中，该注射器连接到一个泵，该泵将新鲜的溶液/悬浮液注入到待静电纺丝的针中。如果所需纤维直径的变化非常小，这是非常有益的，因为流速是决定给定工艺中产生的纤维形态的关键参数之一。相反，对于无针静电纺丝装置，我们将在后面的概述中进一步详细讨论，通常没有流速需要控制，因为溶液被保存在一个开放的容器中，其表面暴露在空气中。这种开放容器的配置将促进溶剂的蒸发，随着时间的推移，导致更高粘度的溶液，以及在最终样品中形成的更小和更大纤维直径之间的潜在波动。
可以使用多种针向
在针基静电纺丝样品开发中，有三种典型的针向:水平、垂直(自上而下或自下而上)和角度。每个方向都有其特定类型的静电纺丝工艺的好处，我们将在下面详细说明。
图3。样品加工用不同针头方向的例子．
水平静电纺丝是加工静电纺材料最常用的方向，特别是在解决方案开发和加工参数优化过程中。如果溶液粘度低，并开始从针滴，水平针方向防止重力驱动滴落在收集器上，并可能破坏正在生产的样品。
垂直自顶向下静电纺丝是加工静电纺纤维的另一种选择。这种针定向的缺点之一是，如果溶液没有经过优化，溶液会由于重力而滴下，因为滴下可能会破坏处理过的样品。为了防止滴落到加工样品上，建议使用针平移的方式，使最初或最后的滴落可以在感兴趣的区域之外收集，从而使最终的样品区域保持完整。优化样品处理参数和防止自上而下静电纺丝过程中滴水的其他方法包括控制针到集电极的距离、流速、电压、温度和相对湿度。溶液处理参数，如粘度，浓度，电导率和/或表面张力，可以为同样的目的进行优化。自顶向下静电纺丝的一个明显优势是它可以将纤维(和/或电喷颗粒)收集到液体容器或凝固系统上。
垂直自底向上静电纺丝是自顶向下静电纺丝溶液优化的替代方案，因为它可以消除由于重力而落在样品上的液滴风险。但是，在某些应用程序中，它会引入工作流挑战。例如，在静电纺丝过程中，不受控制的流速导致针侧滴落，可能会促进二次喷射，从而在整个最终样品中造成纤维直径的不一致。自底向上的结构对于静电纺材料的工业规模生产是有效的，特别是在过滤空间(例如，使用Fluidnatek HT生产的Proveil过滤材料)，因为当纤维直径变化不需要紧密性时，如果存在侧滴，它可以将纤维沉积到大表面积上，而不会有在最终样品上滴水的风险。
静电纺丝是我们将讨论的收集静电纺纤维的最后一种配置。如上面的视频所示，以一定角度静电纺丝可以制造静电纺丝材料，同时防止在溶液优化过程中可能滴到收集器上。带有两根针的静电纺丝装置可以实现双溶液处理，其中两种溶液用独立的电压处理，以生成样品，保持每种聚合物或每种溶液处理的材料的独特特性。这种方法可以应用于许多其他的静电纺或电喷涂最终产品的组合，包括:静电纺纤维和电喷涂颗粒的组合，两种类型的电喷涂颗粒，甚至是静电纺纤维与电喷涂细胞的组合，等等。万博manbetx主页
Needle-less电纺
顾名思义，无针静电纺丝中没有针。相反，静电纺丝过程开始于充满所制备溶液的开口容器的表面，其中纤维由静止或旋转的喷丝板制造。在这种静电纺丝装置中，为了确保稳定的泰勒锥形成和随后的纤维生成，正确地将电荷集中在液体表面是关键。
溶液通常包含在开放的储罐中
无针静电纺丝通常涉及使用一个开放的储液器而不是注射器的溶液。在使用旋转喷丝板的设置中，这是特别标准的。一旦打开的容器装满了溶液，溶剂将开始从液体表面蒸发，特别是如果溶剂具有较低的沸点和/或较高的蒸汽压。这种持续蒸发降低了批次之间的一致性，影响了整个样品中纤维形态的再现性，并影响了某些应用所要求的规格，如过滤应用中的厚度均匀性或克/平方米(gsm)。
无针静电纺丝泰勒锥形成
在无针静电纺丝中，泰勒锥的形成是一个自发的过程，需要电荷适当地集中在液体表面以启动静电纺丝过程。如果泰勒锥随着时间的推移不稳定，纤维形成就会不一致，导致纤维粘接和纤维串珠等缺陷。其后果可以体现在许多方面，包括影响最终样品的机械强度，或改变胶囊药物在药物输送应用中扩散的方式，仅举几例。
流量控制和处理吞吐量
通常，无针静电纺丝系统最理想的特性是没有堵塞，这使得静电纺丝纤维能够在很少或没有用户干预的情况下连续高通量。然而，它不提供针基静电纺丝过程的控制和微调。例如，如果没有针，就无法精确控制泰勒锥的形成，也无法在喷丝板上持续积聚电荷。在无针设置下，纤维生产还严重依赖于溶液上的电场拉力，这通常意味着需要施加比针静电纺丝所需的最低电压更高的电压。
复杂的纤维结构形成通常不可见
虽然无针静电纺丝装置非常适合于某些应用，但对于产生复杂的纤维结构，如Janus纤维、同轴纤维或多轴纤维，它们可能不是最有效的。它们也不适合用于昂贵材料的静电纺丝封装，如用于药物输送的活性药物成分或用于医疗的生长因子。在无针静电纺丝中，泰勒锥的形成缺乏控制，且无法微调流量，这使得针静电纺丝成为这类应用的更好设置。
Fluidnatek公司的狭缝注射器
为了充分利用针式静电纺丝和无针静电纺丝的优点，狭缝注入器被开发出来，开创了新一代无针静电纺丝工艺。狭缝注射器克服了无针静电纺丝的一些障碍，通过将溶液流过一个固定长度的小狭缝，将所有电荷聚集在一个比传统使用的开放式溶液容器表面积小得多的区域内。使用这种窄缝发射器，电荷积聚并容易集中，从而形成泰勒锥，随着时间的推移保持稳定。稳定的泰勒锥允许增加样品吞吐量和适当的控制流速。
除了保持对溶液通过狭缝注入器的流速的控制外，用户还可以防止溶剂随着时间的推移而蒸发，因为溶液可以从一个封闭的储层中注入，这类似于针基静电纺丝中的溶液注入系统。然而，狭缝注射器不需要使用针来实现稳定的泰勒锥，因此实验室可以省去通常与多针组件相关的设置时间，并节省消耗性针头等资源，最大限度地降低每个工艺的成本。使用易于迅速蒸发或无法控制环境条件的溶液，也将显著减少冠状或干燥缺陷。
Fluidnatek团队设计的裂隙注射器还支持通过气体辅助处理的电吹纺丝处理溶液，与传统的无针静电纺丝设置相比，进一步提高样品通量。
