DOI:10.1038/s41598-020-77985-0
靜電紡絲是一種用于生產納米纖維并將其收集為納米纖維墊的簡單且通用的方法。然而，由于彎曲不穩定性，靜電紡絲通常會產生厚度不均勻的納米纖維墊。在這項工作中，研究者開發了一個基于實時厚度測量和厚度反饋控制的具有可移動收集器的均勻厚度電紡納米纖維氈（UTEN）生產系統。該系統與具有空隙區域的收集器兼容，例如網狀收集器、兩塊平行金屬板收集器和環形收集器，這便于測量靜電紡絲過程中納米纖維氈的透光率。該實時測量系統可測量光的透射率，并根據朗伯比爾定律將其實時轉換為納米纖維氈的厚度。通過重復以下步驟來實現厚度反饋控制：（1）根據測得的納米纖維墊厚度找到可移動收集器的最佳位置，（2）將收集器移動到最佳位置，以及（3）在給定的時間步長內進行靜電紡絲。研究發現，與傳統的靜電紡絲相比，厚度反饋控制算法可以通過將數值模擬和實驗的標準偏差分別降低8倍和3倍以上，從而顯著降低納米纖維氈的不均勻性。作為一項開創性研究，本研究有助于未來靜電紡絲系統的開發，從而在生物醫學、環境和能源等諸多研究和工業領域中生產出堅固耐用的納米纖維氈。
圖1.（a）均勻厚度電紡納米纖維氈（UTEN）生產系統的示意圖和（b）照片。
圖2.（a）靜電紡絲之前和（b）之后兩個平行金屬板收集器。（c）納米纖維墊的SEM圖像。比例尺為20μm。
圖3.（a）3D打印收集器支架和安裝在收集器支架底部的CCD攝像機的圖像。（b）由CCD相機拍攝的（i）不帶和（ii）帶納米纖維墊以及（iii）帶不透明板的收集器空隙區域的圖像。（c）納米纖維墊的厚度與光強度的關系曲線。所有比例尺均為1cm。
圖4.常規靜電紡絲中納米纖維氈的沉積行為。（a）（i）納米纖維墊在10和12分鐘時的底視圖圖像和（ii）沿水平軸的厚度。（iii）10至12分鐘納米纖維墊的沉積量。（b）（i）納米纖維墊在30和32分鐘時的底視圖圖像和（ii）沿水平軸的厚度。（iii）30至32分鐘納米纖維墊的沉積量。所有比例尺均為1cm。
圖5.厚度反饋控制算法流程圖。
圖6.模擬結果。基于（a）常規靜電紡絲系統和（b）UTEN生產系統模擬納米纖維墊隨時間變化的底視圖圖像。（c）比較常規靜電紡絲和UTEN生產系統之間的標準偏差（σ）和（d）歸一化平方誤差（NSE）。所有比例尺均為1cm。
圖7.實驗結果。使用（a）常規靜電紡絲系統和（b）UTEN生產系統制備的納米纖維氈隨時間變化的底視圖圖像。（c）比較常規靜電紡絲和UTEN生產系統之間的標準偏差（σ）和（d）歸一化平方誤差（NSE）。所有比例尺均為1cm。
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