静电纺丝喷头疏通技术的研究进展

谷润润 李利芳* 吴业北 武华文 李守柱

（新疆理工学院，新疆 阿克苏843000）

纳米纤维具有很大的比表面积、韧性和过滤性更好、机械稳定性好、纤维膜孔径小、纤维连续性好等特点，被广泛的应用于生物医学材料、过滤材料、能源、电子、航空航天等各方面应用领域[1]。目前制备纳米纤维的方法很多，但是最理想的制备纳米纤维的方法是静电纺丝法。由于静电纺丝喷头在使用时容易堵塞，影响生产纳米纤维的产量，因此阻碍了工业化生产与推广。由此科研人员开始对静电纺丝的喷头进行优化设计，提出解决喷头堵塞的几种方法，为了进一步提高纳米纤维产量奠定基础。

1 实现自动清洁喷头

最早出现在市场上的自组装单喷头静电纺丝装置，该装置的喷头制造比较简单,但是容易出现堵塞，因此出现产量低。为了提高纺丝产量，科研工作者对静电纺丝喷头堵塞的问题进行研究。蒋国军等[2]设计了一种自清洗静电纺丝喷头，这种喷头采用可拆分设计并有清洗管线，当喷管堵塞严重时，可以把喷管卸下来单独清洗，有时出现一般堵塞可以在不拆卸喷头就能实现对喷头进行清洗，这样可以灵活使用。朱自明等[3]设计了一种静电纺丝装置及其静电纺丝喷头的清洗，该静电纺丝喷头的清洗原理是：当系统的检测装置检测到电流保持预定值时，喷头出现堵塞，纺丝暂停，系统自动为喷头喷洒清洗剂，喷头润湿，接着系统自动将喷头运动到刷子处进行刷洗喷头处的堵塞残留物，实现自动清洗的目的。丁彬等[4]设计了一种静电纺丝用组合式针头，这种组合式针头由空心不锈钢针头和带放电尖端的不锈钢针头底座组成，设计简单、拆卸方便且容易清洗，也不会出现喷头出液端堵塞和多射流稳定性差的不足的现象，提高了纺丝的出液量，同时提高纤维膜的均匀性及成膜质量高。赵肖娟[5]设计了静电纺丝喷头的清理装置，通过在电机输出轴上固定旋转平台并对静电纺丝喷头进行定位，在电机旋转带动喷头转动并与相接的毛刷配合，在喷洒清洗剂的作用下清理静电纺丝喷头喷孔外的固化物，清理效果很好，这样有效解决喷头堵塞导致的纳米纤维产量和性能下降的问题。陆振乾[6]设计了静电纺丝头清堵结构及静电纺丝机，该纺丝头在横移装置的带动下，实现对准盛装溶剂的容器以及疏通针。第一驱动装置可带动容器以及疏通针靠近或远离纺丝头，并对纺丝头针头内的凝固块进行溶解以及疏通，能够实现自动、快速且高效地完成对纺丝头的清堵工作，提高工作效率。

2 实现自动剪切喷头残留凝固物

通过对静电纺丝喷头附近的残留凝固物进行剪切，防止在下一阶段纺丝时喷头出现堵塞现象，同时为提高制备纳米纤维的产量奠定了良好的基础。刘耀文[7]等设计了一种用于静电纺丝的多喷头同步清理装置，通过实现驱动装置和复位装置交替，使活动板在多个喷头的前方作直线往复运动，活动板上的多个过料孔与对应的喷头交错瞬间，刮掉喷头上的凝结物，达到清理喷头的目的，保证下一次纺丝顺利进行，为进一步提高生产效率。卓少木[8]等设计了一种静电纺丝装置及其静电纺丝喷头清理，该装置主要包括视觉检测部与切削部并且都与控制器连接，视觉检测部主要判断正常出丝以及堵塞造成的出丝过慢和不能出丝等状态，切削部的设置位置与喷头位置相匹配，移动切削喷头处凝固堵塞的凝固物。当视觉检测部检测到纺丝喷射部的喷头堵塞时，控制器自动控制切削部切削清除喷头上的凝固物，能够自动实现对喷头的清理，解决喷头堵塞问题。

3 实现喷头中溶液或熔体自动恒温

通过对静电纺丝喷头进行局部控温，防止纺丝时溶液挥发过快出现喷头堵塞现象。林晓峰等[9]设计了一种局部控温静电纺丝系统，该系统在针头区和纺丝区设置了喷丝控温装置和纺丝控温装置，能够实现局部控温。当针头区的温度过高造成溶剂挥发过快，喷丝控温装置可以根据反馈的温度信息实现制冷，避免针头堵塞。当纺丝区内温度不能保持恒定时，纺丝控温装置可以根据反馈的温度信息进行实时调节，使纺丝腔内部温度达到均匀，从而进一步使纤维达到稳定成形，提高纤维膜的质量。王晗[10]设计了一种熔体静电纺丝装置及其清堵装置，该装置在纺丝结束后，将喷嘴插入插孔内，加热体对喷嘴进行加热，温度传感器反馈温度，使喷嘴内的废料由固态转化为熔融态，启动真空泵产生负压，将喷嘴内的熔融态的残留废料吸出，能够达到使喷嘴内彻底自动清除干净。

4 改善静电纺丝喷头的形式与结构

由于静电纺丝喷头在纺丝的过程中容易出现堵塞现象，因此科研工作者就从改进喷头的形式与结构进行研究，市场上相继出现了多喷头、同轴喷头、并肩/并列喷头、无针喷头等等。多喷头是单喷头特定方式下数量的扩展，虽然多喷头纺丝可以批量化制备纳米纤维，但是存在射流间电场产生强烈干扰的想象以及喷头清洁与堵塞问题难以解决。虽然通过增加电场辅助装置和改变喷头的布置形式，可以减小喷头之间电场的相互影响，但是不能彻底解决，因此人们逐渐由多针头向无针头静电纺丝技术转移并得到更广泛的关注，现阶段[11]我国科研人员对无针喷头进行研究，可以提高纳米纤维产量，同时也可以解决带针式喷头易容易堵塞问题。其工作原理是: 通过把纺丝电极放入聚合物溶液中，在旋转电极的表面形成溶液层，在高压的作用下调节电压达到定值，这样在旋转电极表面的溶液层上出现许多类似泰勒锥的突起，再经过拉伸形成射流，最后在收集电极表面获得纳米纤维。张浩等[12]设计了一种无针式静电纺丝装置，该装置通过高压电源通电，在溶液槽注入溶液，电机带动电极丝浸入溶液槽，在其表面形成不连续的液滴，液滴表面形成泰勒锥并发射纺丝，纺丝在向接收电极板运动过程中被接收带截获并聚集，从而在接收带表面形成纺丝布。接收带上的纺丝布被玻璃板剥离，经过张紧辊最终收集于卷筒上。该装置整体结构简单，纺丝效果好，同时解决了针头容易堵塞问题，生产效率高，容易实现大批量生产。在2012 年Lin T教授课题组报道了“螺旋线圈”纺丝法[13]。线圈在纺丝液中旋转，当电场强度达到临界值时，线圈表面会产生多个射流，从而得到的纳米纤维更加均匀及提高产量。

5 总结与展望

本文以静电纺丝喷头存在堵塞的问题进行研究，通过对静电纺丝喷头实现自动清洗、实现自动剪切喷头残留凝固物、实现喷头中溶液或熔体自动恒温、改善静电纺丝喷头的形式与结构等各种方式进行分析，可以得出通过这几种方式能够提高解决喷头堵塞的问题及生产率有一定程度的提高，但是各有方式都有不足之处，有待需今后应该把实现自动清洗喷头、剪切喷头残留物、恒温喷头中的溶液三种方式有效的结合起来以及进一步研究无针式静电纺丝，能够有效的解决喷头堵塞，从而进一步提高制备纳米纤维的产量。相信在各国科研人员的共同努力下，静电纺丝喷头及技术将会发生质的飞跃。