熔体静电纺丝的原理

静电纺丝法根据聚合物原料性质的差异分为溶液静电纺丝法和熔体静电纺丝法。目前，溶液静电纺丝已经实现了纳米纤维的批量化生产。但是溶液静电纺丝因溶剂具有较高的成本，不可避免的存在毒性（如二甲基甲酰胺、二氯甲烷），阻碍了与众多领域的结合及应用。而熔体静电纺丝恰恰不需要溶剂，是一种十分安全、绿色的纺丝工艺。因此，本文简述了熔体电纺技术及其应用。

熔体静电纺丝，是在高温条件下直接将聚合物熔融并电纺形成纤维的技术。通常熔体静电纺丝装置由供料机构、加热器、喷头、高压电源和收集板等部分组成。

图1 熔体静电纺丝装置图

聚合物熔体具有较高的粘度和较低的导电性，使得熔融电纺制备的纤维直径要大于溶液电纺制备的纤维直径，这阻碍了其进一步发展。目前国内外对于熔体静电纺丝的理论研究还比较欠缺，不管是对装置结构还是电场机制仍需要进一步的研究。熔体静电纺丝纤维形貌一般呈圆形，如下图。

                                                        

图2 熔体静电纺丝纤维形貌

国内外研究学者在提高纺丝效率方面，特别是对设备装置进行了改进。传统熔体静电纺丝为毛细管式，只能生产单一射流，效率较低，因此德国亚探工业大学研究者提出阵列毛细管来增加纺丝效率。

北京化工大学机电工程学院英蓝实验室的杨卫民老师从大自然的瀑布中受到启发，其团队基于高分子先进制造微积分思想，首次提出了熔体微分静电纺丝技术，创新性地设计出伞形微分喷头其纺丝效率相对于单针毛细管喷头提高了80倍。其喷头结构如图3所示。

                          

图3 熔体微分纺丝喷头

熔体静电纺丝分为近场和远场，近场熔体静电纺丝技术就是在熔体电纺的基础上，提出的一种更低压、更安全、更环保的纺丝方法。基本原理为通过降低纺丝距离（几个厘米甚至几个毫米的尺度范围）来降低纺丝电压。近场直写熔体静电纺丝进程中，纺丝射流受到的环境湿度和温度影响更小，因此熔体静电纺在纺丝过程中，处于直线段的稳定纺丝区域更长，长度可以达到3cm左右，对纺出的纤维沉积情况也能精准调控。

根据已有研究，熔体静电纺丝作为一种具有无限发展前景的技术，具有良好的融合性。而近场熔体静电直写技术是近年来新出现的一项工艺，用来制备组织工程的多孔支架，其制备的纤维达到纳米或微米尺度，和天然细胞外基质结构相似，是最有潜力的组织工程支架材料，可以用作生物3D打印，如功能性膜、细胞支架、细胞载体、血管移植等等。随着熔体静电纺丝适用的热塑性和功能性高分子材料的范围不断扩大，近场熔体静电纺丝的应用领域将很快被拓展。因此，可展望近场熔体静电纺丝将成为极具潜力的生物3D打印技术。想了解更多关于静电纺丝领域的相关资讯或者静电纺丝设备，可搜索如下链接:http://www.qingzitech.com/