線性狹縫式噴絲頭的聚合物熔體微分靜電紡絲

DOI: 10.1002/app.48922

制備高效率、高生產率的熔融電紡纖維仍然是一大挑戰。在這項工作中，提出了一種帶有線性狹縫式噴絲頭（LSSP）的聚合物熔體微分靜電紡絲系統。在高電場下，分布在LSSP尖端的多個射流由厚度受控的聚合物熔體膜自組織形成。研究了紡絲參數，并分析了噴絲頭和集電器之間的電場。結果表明，隨著聚合物熔體薄膜厚度的減小和泰勒錐的尺寸減小，射流距離明顯減小。在施加電壓為45 kV，收集距離為9 cm，溫度為250℃，縫隙厚度為0.2 mm的條件下，獲得的最小平均噴射距離為1.9 mm，偏差為0.5 mm。達到了75.6 g/h的高輸出，僅通過增加縫隙寬度就可以提高輸出。結果表明，所提出的技術是一種制備高效熔融電紡纖維的有前途的方法。

圖1.配備線性狹縫式噴絲頭的熔融靜電紡絲系統示意圖（未按比例繪制）（a），線性狹縫式噴絲頭的局部截面圖（b）和從線性狹縫式噴絲頭產生的聚合物熔體噴流圖片（c） 。

圖2.仿真模型的示意圖（未按比例繪制）。Y-Z平面垂直于縫隙寬度方向（a），而X-Y平面垂直于縫隙厚度方向（b）。

圖3.在不同縫隙厚度（a）下沿縫隙的聚合物熔體分布，射流距離和平均纖維直徑隨縫隙厚度（b）變化，以及在不同縫隙厚度下射流距離的照片（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，螺桿轉速= 0.6 rpm）。

圖4. LSSP尖端附近的電分布（W = 0.2 mm）（a），以及在X = 0和Y = 0.5 mm時，YZ平面中不同縫隙厚度的電強度分布（b）（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，螺桿轉速=0.6 rpm）。

圖5.（a）X = 0 mm，Y = 0.5 mm和Z = 0 mm時的最大電場強度，和（b）噴射距離，以及（c）在不同施加電壓下的纖維直徑，以及（d）施加電壓時的噴射距離變化示意圖（熔體靜電紡絲條件：收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，聚合物熔體流動速率= 1.26 g/min，狹縫厚度= 0.2 mm）。

圖6.聚合物熔體流動速率（a），不同縫隙厚度的噴射距離（b）和在不同螺桿轉速下的平均纖維直徑（c）（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm ，溫度= 250℃，縫隙厚度= 0.2 mm）。

圖7.在不同溫度下的聚合物熔體粘度（參考文獻20）（a），在不同紡絲溫度下不同縫隙厚度的噴頭間距離（b），紡絲溫度對纖維直徑的影響（c）以及在不同紡絲溫度下的熔體噴射分布（d）（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，流動速率= 1.26 g/min，縫隙厚度= 0.2 mm）。

圖8.在不同溫度下熔融電紡纖維的SEM圖像。（a）230℃，（b）240℃，（c）250℃，（d）260 ℃，（e）270℃和（f）280℃（熔融靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，流率= 1.26 g/min，縫隙厚度= 0.2 mm）。

圖9.來自LSSP的熔體微分靜電紡絲的照片（a），沿著縫隙的噴頭間距離分布（b）以及在不同X位置的平均纖維直徑（c）（熔體靜電紡絲條件：施加的電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，聚合物熔體流動速率= 1.26 g/min，縫隙厚度= 0.2 mm）。

圖10.熔融電紡纖維在不同位置的SEM圖像（a）X = -140 mm，（b）X = -75 mm，（c）X = 0 mm，（d）X = 75 mm，和（e ）X = 140 mm（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，聚合物熔體流動速率= 1.26 g/min，隙縫厚度= 0.2 mm）。

圖11. 當Z = 0 mm時計算出的Z軸上的電場分布（a），在XY平面中沿X（Y = 0.5 mm）的電場強度以及沿縫隙的熔體噴射密度（b），當Z = 0 mm時，在XY平面中沿Y的電場強度（c），以及對于不同縫隙長度，在XY平面中沿縫隙的電場強度（d）（熔體靜電紡絲條件：施加電壓= 45 kV，收集距離= 9 cm，溫度= 250℃，聚合物流動速率= 1.26 g/min，縫隙厚度= 0.2 mm）。