Chem. Eng. Sci.：聚合物靜電紡絲中電壓與針尖-收集器距離之間的耦合：就模式、轉變

DOI:10.1016/j.ces.2020.116200

在這項工作中，研究者闡明了聚合物靜電紡絲中電壓（V）和尖端-收集器距離（T）之間的耦合。首先，在V-T平面上的運行圖（具有促進實時控制的潛力）揭示了四種靜電紡絲模式，其中包括一種新發現的旋轉模式。接下來，在V和T獨立變化的實驗中，研究者使用六個可量化的特征成像并研究了特定模式的錐/射流動力學。研究結果首次證明，盡管電位降（V/T）對決定靜電紡絲的產物至關重要，但它并不是V-T耦合的基本參數。此外，耦合的性質隨特定V-T組合而動態變化。值得注意的是，盡管分離距離較大，收集器位置的細微變化仍會統籌針尖處的狀態轉換。模擬結果表明，有效場強、電荷密度和錐尖附近的場線分布是影響V-T耦合的關鍵因素。

圖1：靜電紡絲和成像裝置的示意圖。

圖2：本研究中的靜電紡絲工藝。

圖3：在錐-射流模式中的錐形：當尖端-收集器距離（T）固定為12cm時，錐角（▲）和錐長（■）隨著電壓（V）的增加而變化。

圖4：在錐-射流模式中的射流結構：當尖端-收集器距離（T）固定為12cm時，初始射流直徑（▲）和直線段長度（■）隨電壓（V）的增加而變化。

圖5：在錐-射流模式中的錐形：當固定電壓（V）為8.5kV時，錐角（▲）和錐長（■）隨針尖-收集器距離（T）的減小而變化。

圖6：在錐-射流模式中的射流結構：在8.5kV的固定電壓（V）下，初始射流直徑（▲）和直線段長度（■）隨針尖-收集器距離（T）的減小而變化。

圖7：（a）錐角，（b）錐長，（c）初始射流直徑和（d）直線段長度隨錐-射流模式中電位降（V/T）的增加而變化。▲和■分別表示增加電壓（V）和減小針尖-收集器距離（T）的實驗。

圖8：上圖：（a）3kV-2.5mm，（b）5kV-2.5mm和（c）3kV-2mm的電荷密度等高線，圖例條以A/m2為單位。下圖：（d）3kV-2.5mm，（e）5kV-2.5mm和（f）3kV-2mm的電位等高線和電場線（黑色箭頭曲線），圖例條以V為單位。

圖9：多射流模式：（a）增加電壓（V）和（b）減小針尖-收集器的距離（T）觀察到“N”個分裂的概率。

圖10：在多射流模式中，最大分裂數隨電位降（V/T）的增加而變化。▲和■分別表示增加電壓（V）和減小針尖-收集器距離（T）的實驗。

圖11：當電壓（V）從0kV增加到18kV時，通過確定每種模式開始時針尖-收集器距離（T）生成的操作模式圖。

圖12：本研究中建立的V-T耦合機制。