O filamento eletrostático de alta tensão, como uma tecnologia de alta eficiência para preparar nanofibras, com suas vantagens de processo simples, diâmetro de fibra controlável (50nm-10μm) e ampla adaptabilidade do material, mostra um enorme potencial de aplicação em biomédica, materiais de filtragem, armazenamento de energia e outros campos. Este artigo analisa os princípios básicos do equipamento de filagem eletrostática de alta tensão a partir de três aspectos do mecanismo de ação do campo elétrico, do comportamento do jato de solução e do processo de moldagem de fibras.

　　I. Mecanismo de formação de jato sob impulsionamento de campo elétrico

O princípio central do equipamento de filagem eletrostática de alta tensão é o uso de campos elétricos de alta tensão (geralmente 5-30kV) para carregar uma solução de polímero ou fusão, que, quando a força do campo elétrico supera a tensão superficial da solução, forma um cono de Taylor e injeta um fluxo de raio elétrico. Seu processo físico pode ser dividido em três fases:

Fase de acumulação de carga elétrica

Através da distribuição de carga induzida pela fonte de energia de alta tensão na superfície da solução, a densidade da carga da superfície da solução (σ) e a força do campo elétrico (E) satisfazem a relação: σ = ε0 ε_rE, onde ε0 é a constante dielétrica de vácuo e ε_r é a constante dielétrica relativa da solução. Quando a força do campo elétrico gerada pela carga superficial (F_e = σE) excede a tensão superficial da solução (F_s = 2πrγ, r é o raio da gota e γ é a tensão superficial), a gota é deformada para um cono de Taylor.

2. Fase de alongamento instável do jato

Depois que o jato elétrico deixa o cone de Taylor, a instabilidade de curvatura é gerada devido à exclusão entre cargas, enquanto a força do campo elétrico continua a esticar o jato, reduzindo seu diâmetro de centenas de micrômetros a nanometros em um período de tempo de microsegundos. Neste processo, o solvente se volátiliza rapidamente ou a fusão se refresca, formando fibras primárias.

Deposição de fibras e fase de cura

A fibra carregada voa para a placa de coleta sob o efeito do campo elétrico, ajustando a velocidade de movimento da placa de coleta (0,1-10m / s) e a distribuição do campo elétrico, controlando a direção da disposição da fibra. Para a fusão, a temperatura da fusão precisa ser controlada com precisão para evitar a ruptura da fibra.

　　Impacto dos principais parâmetros de processo na forma das fibras

1. força de tensão: o aumento da tensão (10-25kV) pode aumentar a força do campo elétrico e reduzir o diâmetro da fibra, mas a tensão excessiva (> 30kV) pode facilmente desencadear a descarga de faísca que resulta na interrupção da filação;

Concentração de solução: concentração muito baixa (< 5% em peso) resulta em ruptura do jato, concentração muito alta (> 20% em peso) é difícil de formar um cone de Taylor devido à viscosidade excessiva;

Distância de recepção: o aumento da distância (10-30 cm) prolonga o tempo de volátilidade do solvente e reduz a adesão da fibra, mas a distância muito longa reduzirá a força do campo elétrico e afetará o efeito de alongamento;

Parâmetros ambientais: aumento da umidade (> 60% RH) retardará a volatilidade do solvente, levando ao diâmetro desigual da fibra; O aumento da temperatura (25-60 ° C) pode reduzir a viscosidade da solução e promover a estabilidade da filação.

　　Expansão de cenários de aplicação típicos

Biomedicina: preparação de suportes de nanofibras de ácido poliláctico (PLA) para adesão e proliferação celular em engenharia de tecidos;

Filtração de ar: Preparação de membrana de nanofibra PVDF por fiadura eletrostática, eficiência de filtração de PM0.3 de até 99,97%;

Área de energia: uso de nanofibra de carbono baseada em PAN como material negativo de bateria de íons de lítio, capacidade comparativa aumentada para mais de 500mAh / g.

Os equipamentos de filação eletrostática de alta tensão permitem o controle estrutural em múltiplas escalas, desde o microscópico até o macroscópico, através da regulação precisa da força do campo elétrico e do comportamento da fluidologia da solução. Com o avanço de tecnologias como arrays de agulhas múltiplas e escrita direta de campo próximo, o processo de aplicação industrial está se acelerando.