DOI:10.1016/j.cej.2020.126561
本文提出了一種新的靜電紡絲法，該方法通過使用納秒上升時間高壓脈沖發生器進行電場操縱，來控制纖維在介電基板上的排列和沉積。所提出的技術解決方案的獨特之處在于能夠控制聚合物射流在電極間空間中的定位，并具有將射流穩定和保持在任意點的可能性。初步的數值模擬顯示了在含一個注射器和兩個圓柱形收集器的幾何形狀中的電場分布。該方法獲得了具有2-4°解取向度的基于聚酰胺6/66共聚物的取向材料樣品。對基于聚酰胺的取向材料的熱學和力學性能進行了研究，并且對于電紡絲纖維而言，這是首次通過X射線衍射在小角度和寬角度下發現聚合物微晶的微觀取向效應。所制備的材料在宏觀和微觀兩個層面上都會發生取向。本文論證了以65°和90°的給定纖維取向堆疊多層，并通過反極性工作原理將聚合物紡絲在各種介電基板上來制備材料的可能性。在靜電紡絲中控制纖維排列的能力將擴大高效生產聚合物非織造材料的可能性，該非織造材料具有給定的體系結構和獨特的理化特性，可以解決一系列醫療和技術挑戰。
圖1.（a）用于制備取向纖維的兩通道（1藍色和2黃色）靜電紡絲裝置的示意圖，由以下部分組成：四個20kV固態開關（換向器），包括20個串聯的IRG7PH42UD 1200V-IGBT晶體管；兩個驅動器，用于將驅動電壓轉換為HVS控制環路電流，電流隔離和最小化晶體管的瞬態時間；DG-低壓驅動發電機；HVDC-雙極高壓可調直流電源；Gnd-接地點；兩個圓柱形的銅收集器1、2。MFC-F-200CV質量流量控制器，帶有空氣壓縮機Metabo Basic 250-24W作為注射泵。（b）集電極電壓U和脈沖前沿。上升和下降時間為150ns（按10-90％水平），dU/dt高達200V/ns。
圖2.在高壓脈沖切換期間的三個時間間隔內電極間隙和集電極空間中的對數刻度（log2）電場強度：a）t0=0，b）t50=50ns，和c）t50=150ns以及d）切換后空氣中的電流體動力學射流運動。
圖3.由PA6/66制成的取向材料以及含取向和各向同性纖維的材料樣品的SEM圖像。（a）單向取向材料的放大SEM圖像和纖維直徑分布，（b）SEM圖像和纖維角度偏差分布，（c）取向材料樣品：帶25x5cm2和管11x1.1cm2，（d）各向同性材料的SEM圖像和角頻率分布。
圖4.X射線研究的結果。WAXS數據：PA6/66樣品的二維衍射圖：（a）薄膜，（b）拉伸薄膜和（c）電紡絲材料（伸長軸垂直指向）；（d）所研究樣品PA6/66的徑向掃描；（e）對取向樣本進行100、010/110反射的方位角掃描。電紡PA6/66樣品的SAXS數據：（f）在子午方向掃描，顯示出明顯的最大值；（g）二維衍射圖，方向軸是垂直的。
圖5.纖維材料PA6/66的平均拉伸曲線，具有95％置信帶的值的統計分布：1-沿取向（楊氏模量-430±40MPa，強度-47±2.4MPa）；2-各向同性材料（楊氏模量-241±30MPa，強度-30±2.3MPa）；3-垂直于取向（楊氏模量-150±30MPa，強度-17±1.0MPa）
圖6.用于沉積在電介質覆蓋的收集器上和制備非織造多向纖維取向材料的設置變化：（a）負極注射器。帶負電的纖維鋪設在電介質上，直到其電荷完全補償外部電場并且靜電紡絲過程停止。（b）正極注射器。極性相反會導致帶正電荷的纖維沉積到先前的負電荷層上。然后重復該過程。（c）在90°和（d）45°的四收集器中對多方向取向的纖維層進行靜電紡絲。1，2-黑色-連接到HV發電機的一對有源集電極，白色-連接到HVDC的無源集電極。
圖7.具有不同纖維層取向的PA6/66材料的SEM照片：（a）垂直纖維取向。（b）樣品和取向纖維部位的尺寸。（c，d）菱形纖維堆積。
