廈門大學鄭高峰Mater. Des.：利用尖端導向電極實現高縱橫比三維靜電紡絲

DOI:10.1016/j.matdes.2020.109304

為了實現高縱橫比三維（3D）靜電紡絲，設計了一種具有尖端導向電極的靜電紡絲裝置，通過提高電場強度，將納米纖維逐層引導至指定路徑。這種設置有助于在穩定的電荷轉移過程中沉積納米纖維，并克服電干擾。通過電流體動力學過程的聚合物射流已被用于直寫有序的3D結構，其縱橫比（高度/寬度）高達25，適用于各種圖案，例如矩形網格和五角星。實驗結果表明，所沉積的納米纖維可以形成高縱橫比的3D結構，納米纖維直徑均勻，位置精度高于1.5μm。

圖1.帶尖端電極的實驗裝置和帶電射流的沉積行為。（a）系統設置。（b）尖端電極的電荷轉移行為。（c）帶電射流進行鞭狀運動以形成螺旋結構的序列圖像，PEO溶液濃度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、1.5kV和2mm。（d）沉積行為表明噴絲頭和尖端電極之間的位移誤差偏移量，PEO溶液濃度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、2kV和4mm。

圖2.直寫式3D結構示意圖。（a）具有不同納米纖維層的線型。（b）多層矩形網格圖案。

圖3.尖端導向沉積。（a）無尖端電極的電場模擬。（b）有尖端電極的電場模擬。（c）無尖端引導下沉積納米纖維。（d）在尖端引導下沉積納米纖維。放大倍數為×200，PEO溶液濃度、施加電壓、收集器運動速度、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、2kV、25mm/s和4mm。

圖4.在不同的收集器速度下多層納米纖維沉積的形態：（a）15mm/s，（b）20mm/s，（c）25mm/s。放大倍數為×1000，PEO溶液濃度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、2kV和4mm。

圖5.工藝參數對5層納米纖維纖維壁寬度的影響。（a）纖維壁寬度和收集器運動速度的關系，其PEO溶液濃度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、2kV和4mm。（b）纖維壁寬度和施加電壓之間的關系。PEO溶液濃度、收集器運動速度、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、25mm/s和4mm。

圖6.用60層納米纖維制成的3D結構的SEM圖像：（a），（b）垂直視圖，（c），（d）側面視圖。放大倍數為（a）×100，（b）×300，（c）×1000和（d）×4000，其中PEO溶液濃度、施加電壓、收集器運動速度、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、2kV、25mm/s和4mm。

圖7.由20層納米纖維沉積的3D矩形網格圖案：（a）3D納米纖維矩形網格的整體視圖，（b）單個納米纖維網格的放大圖像，（c）有序3D納米纖維的側視圖，（d）交點處的放大圖像，其中PEO溶液濃度、收集器運動速度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、25mm/s、2kV和4mm。

圖8.由10層納米纖維制成的3D五角星：（a）五角星的總體視圖；（b），（c）印刷結構的放大圖；（d），（e）交點處納米纖維的近視圖；（f）側視圖，PEO溶液濃度、收集器運動速度、施加電壓、噴絲頭與收集器之間的距離分別為10wt％、25mm/s、2kV和4mm。