微型静电纺丝仪的设计及其在速溶补水面膜开发中的应用

摘 要： 设计并制造了一种便携式微型静电纺丝仪，并用于纳米纤维基速溶补水面膜的开发，同时利用Comsol有限元分析软件进行静电场模拟，确定制备纳米纤维膜的最优工艺参数。结果表明：微型静电纺丝仪的圆锥状纺丝头直径0.6 mm、长度8 mm、接收距离为120 mm、纺丝电压为25 kV、平均电场强度为1.2×108 V/m时，纺丝效果最佳。在此条件下，将聚乙二醇单甲醚十四醇（PEG-14M）、透明质酸钠（HA）和1， 3-丁二醇（1， 3-BDO）按40∶1∶4的质量比例配置纺丝液制备纳米纤维膜，并对纤维膜的性能进行分析。当PEG/HA/BDO的溶液质量浓度为10%，供液速度0.2 mL/h，接收距离200 mm，纳米纤维膜的纤维平均直径为284.8 nm，变异系数为19.8%，表明纤维直径分布均匀。将纳米纤维膜制成面膜进行皮肤模拟测试，喷上去离子水后，纳米纤维膜在6 s内迅速溶解，同时皮肤水分质量分数高达38%，与空白组对比可知该面膜的补水增幅为81%。研究表明，该微型静电纺丝仪使用便捷，通过其制备的纳米纤维膜具有速溶补水的优势，在补水面膜领域具有潜在的应用价值。

关键词： 微型静电纺丝仪；纳米纤维；有限元分析；电场强度；速溶补水面膜

中图分类号： TS104.76""" 文献标志码： A""" 文章编号： 1009-265X（2025）01-0118-08

纳米纤维具有孔隙率高、比表面积大、透气性高和纤维内孔径小等特点^［1］。通过纳米纤维所制备的面膜作为一种新型面膜，随着市场对高端面膜产品需求的增加而逐渐被人们所熟知。当前市场上的面膜种类繁多，其中以非织造布为载体的贴布式面膜在市场上占据相当大的份额。贴布式面膜的制作方法有上浆法、水刺法、物理或化学黏合法。这些制作方法都存在着一定的缺陷，其中上浆法因为浆料的均匀性不足导致面膜的力学强度和吸水性不一致；水刺法会导致纤维的损伤，影响面膜布的柔软度和舒适度；化学黏合法会对皮肤产生刺激，尤其是不适于敏感肌肤的用户^［2］。而静电纺丝所制备的纳米纤维膜具有极大的比表面积、优异的孔隙率、良好的贴敷性和生物相容性、良好的保湿性与持水性等特点^［3］，引起了研究者的广泛关注。

相较于传统的静电纺丝设备，微型静电纺丝仪具有方便使用、携带便捷等优点^［4］。目前，静电纺丝制备纳米纤维面膜的研究多侧重于面膜功效，对于利用静电纺丝机理制备 纳米纤维膜本身的结构与性能研究过少，因此，本文设计并制造一种便携式的微型静电纺丝仪，用于纳米纤维基速溶补水面膜的开发，研究既可基于面膜品质的要求为纳米纤维面膜的生产设备提供技术支持，也可为静电纺丝面膜产业化应用提供依据。本文基于武汉纺织大学发明的一种微型静电纺丝装置^［5］，使用Solidworks软件对其进行三维建模，将模型导入COMSOL有限元析软件进行电场强度模拟。通过改变纺丝头的直径、长度、形状、接收距离和纺丝电压优化纺丝头的结构和参数，确定最优的纺丝工艺。利用微型静电纺丝装置制备一系列PEG/HA/BDO（PHB）纳米纤维面膜，并对纤维面膜进行力学性能和补水速溶性能测试，以期得到高效补水速溶型纳米纤维面膜。

1 纺丝头建模与场强模拟

设计的微型静电纺丝装置三维建模模型及其装配体图如图1所示。首先根据微型静电纺丝装置说明书中的实施例，构建不同的纺丝头。运用软件Solidworks设计需要模拟出纺丝头、接收板，并将这两个原件置于一个密闭的装置中（本文采用的是空气密闭装置），即构成装配体。其中接收板的长为100 mm、宽为80 mm、高为40 mm，密闭装置为边长为200 mm的正方体。之后将设计好的装配体导入到Comsol有限元析软件中进行静电场的模拟，通过控制单一变量来对其他变量进行模拟，选择电场强度最大且易于加工制作的纺丝头模型参数，为纺丝头的加工提供依据。

模型共分为5组，根据控制单一变量可分为直径组、长度组、形状组、接收距离组和电压组，相关模型参数如表1所示。

1.1 纺丝头直径对纺丝头场强的影响

按照表1第1组中的参数进行装配体的建模，随后将不同直径的装配体导入到Comsol软件里进行电场模拟，其中纺丝头处设置正电压，接收板接地设置。为比较纺丝强度的大小，选用纺丝头处的电场云图来进行后续评估。电场云图可直观展示不同直径纺丝头电场分布情况，场强颜色越接近红色表

示场强越大，场强颜色越接近蓝色则表示场强越小。二维图是对纺丝头尖端场强云图的放大图，颜色越明亮则表示该地方的电场强度越高。图2是不同直径纺丝头电场模拟的场强云图。由图2（a）和图2（b）可知：随着平角状纺丝头直径的增大，可以看出红色区域逐渐减弱，中心蓝色区域范围和亮度愈发明显，表明电场强度逐渐降低。

经过Comsol 有限元模拟软件模拟，不同半径纺丝头的电场强度分别为3.5×107、3.0×107、2.7×107、 2.4×107 V/m和2.2×107 V/m，即纺丝头直径与电场强度呈现负相关的趋势。这主要是由于纺丝头半径和体积减小，单位时间内单位体积分布的电荷量会增加，纺丝头的电场强度会增大。然而纺丝头直径越小，零件的加工精度越高，所需成本及投入的时间也越多。因此，本文选定直径为0.6 mm的纺丝头用于后续的建模模拟。

1.2 纺丝头长度对纺丝头场强的影响

按照表1第2组中的参数进行装配体的建模，随后将不同纺丝头长度的装配体导入到Comsol软件里进行电场模拟。图3是不同长度纺丝头电场模拟的场强云图。由图3（a）和图3（b）可知：随着平角状纺丝头直径的增大，可以看出红色区域变化不明显，且长度分别为8、9、10 mm和11 mm的纺丝头的电场强度均为3.5×107 V/m。表明随着纺丝头长度的增加，纺丝头电场强度几乎不变。同样考虑到加工生产的成本和精度问题，故选择长度为8 mm的纺丝头较为合适。

1.3 纺丝头形状对纺丝头场强的影响

按照表1第3组中的参数进行装配体的建模，随后将直径为0.6 mm，长度为8 mm， 不同纺丝头形状（半圆状、平角状、圆锥状）的装配体导入到Comsol 软件里进行静电场模拟。图4是不同形状纺丝头电场模拟的场强云图。由图4（a）和图4（b）可知，半圆状、平角状、圆锥状的纺丝头的电场强度分别为2.3×107、3.5×107 V/m和9.4×107 V/m。半圆状的纺丝头尖端电场强度最小，主要是由于半圆状纺丝头尖端的金属面积较大，电场产生的电荷向单位面积移动聚集的电荷量会下降；而圆锥状纺丝头尖端的金属面积很小，大量的电荷会集中在尖端，所以圆锥形的纺丝头尖端电场强度最大。后续选用直径6 mm、长度8 mm的圆锥状纺丝头进行建模与模拟。

1.4 接收距离对纺丝头场强的影响

按照表1第4组中的参数进行装配体的建模，随后将不同接收距离的装配体导入到Comsol软件里进行电场模拟。图5是不同接收距离电场模拟的 场强云图。如图5（a）和图5（b）可知：接收距离分别为100、120、140 mm和160 mm的电场强度均为1.2×108 V/m。由于纺丝射流在静电纺丝过程中，通过鞭动不稳定阶段之后，再沉积到接收板上^［6］， 所以纺丝过程中需要一定长度的接收距离，确保射流中的纺丝液溶剂能够完全挥发，最终形成完整的纤维结构。考虑到射流中溶剂的挥发，本文选择接收距离为120 mm用于后续研究。

1.5 电压对纺丝头场强的影响

按照表1第5组中的参数进行装配体建模，随后将不同纺丝电压下的装配体导入到Comsol软件里进行电场模拟。 如图6所示，静电纺丝电压分别为20、25、30 kV和35 kV，与之相对应的电场强度分别为9.4×107、1.2×108、1.4×108 V/m和1.7×108 V/m。 图6是不同纺丝电压电场模拟后得到的场强云图。从图6（a）和图6（b）中可以观察到，电压和纺丝头电场强度呈现正相关的趋势，即随着电压强度的增加，纺丝头电场强度呈倍数增长，这主要是由于电压的增加会使单位时间内产生的电荷量增加。在其他条件不变的情况下，电荷增加会导致纺丝头的电场强度增大。适当的增加电压不仅可以提高纺丝速率，且有利于纤维的细化和成型^［7］。但电压过高会使射流的速度加快导致纤维直径变大，还可能出现串珠状纤维^［8］。同时高电压容易引起空气击穿，对实验人员会造成危险。综合来看，后续建模模拟的纺丝头电压参数选用25 kV最合适。

2 纳米纤维面膜的制备与性能表征

2.1 实验材料和实验仪器

主要材料：聚乙二醇单甲醚十四醇（PEG-14M、WSR-205、陶氏化学有限公司）；透明质酸钠（HA、Mw： 300000 Da、青州光裕生物科技有限公司）；丁二醇（1，3-BDO、山东耀佳化工有限公司）；水（去离子水、自制）。

主要仪器：电子天平（ATY124、岛津菲律宾工厂）；集热式恒温磁力搅拌器（DF-101S、巩义市予华仪器有限责任公司）；台式扫描电镜（SEM 721-20000-01、复纳科学仪器（上海）有限公司）；数显百分测厚规（H0-10mm、上海川陆量具有限公司）；微型控制电子万能试验机（E40.104、美特斯工业系统（中国）有限公司）。

2.2 纳米纤维膜的制备

设置纺丝工艺参数为电压25 kV、供液速度0.5 mL/h，接收距离200 mm。将PEG-14M、HA（30 W）、纳诺HA（3000）、丁二醇按照40∶1∶1∶4的质量比例配制的不同质量浓度的溶液作为纺丝液，将PEG-14M质量分数分别为8%、10%和12%的纺丝液进行纺丝得到3种PEG/HA/BDO（PHB）纳米纤维面膜，相应命名为PHB-8、PHB-10和PHB-12。

2.3 纳米纤维膜的表征

用台式扫描电镜观察不同质量浓度PHB纳米纤维膜的形貌。使用微型控制电子万能试验机对3组PHB纳米纤维膜进行力学性能测试。为了评估纳米纤维膜的保湿补水性能，使用智显皮肤测试仪对3组不同质量浓度的PHB纳米纤维膜进行保湿性能测试。在25 ℃环境下，将要进行试验的皮肤部位暴露在空气中10 min，然后使用仪器测出此时的皮肤水分质量分数和油分质量分数。在皮肤检测的地方分别贴敷3组不同质量浓度的PHB纳米纤维膜，使用去离子水对纤维膜进行喷雾处理，5 min后用手轻揉测试部位，使纤维膜被充分吸收，再过5 min后用仪器检测贴敷纤维膜的皮肤部位的水分和油分质量分数，根据式1和式2分别计算出水分质量分数增幅M和油分质量分数增幅H：

M/%=（m2-m1）/m1×100 （1）

H/%=（h2-h1）/h1×100 （2）

式中：m1和m2分别为测试前水分质量分数和测试后水分质量分数；h1和h2分别为测试前油分质量分数和测试后油分质量分数。

为了分析纳米纤维膜的速溶效果，将纤维膜剪成一定大小的矩形，用镊子夹取样品放入盛装去离子水的玻璃器皿中，使用相机拍摄PHB纳米纤维膜的溶解过程。

3 纳米纤维膜的表征结果与讨论

3.1 形貌分析

图7是不同质量浓度PHB纳米纤维膜的SEM照片和直径分布统计图。由图7可知：PHB-8纳米纤维膜有缠结，纤维杂乱，纤维直径平均值D为281.3 nm，变异系数CV为22.8%；PHB-10纳米纤维膜比较均匀，纤维分丝现象不明显，纤维直径平均值D为284.8 nm，CV为19.8%，表明PHB-10纳米纤维总体上偏细，溶液质量浓度适中，纺丝时射流稳定，纳米纤维膜表面光滑平整；PHB-12 纳米纤维膜有缠结和分丝现象，纤维直径平均值D为329.5 nm， CV为20.4%，且相较于PHB-10纳米纤维直径平均值更大。这主要是由于溶液质量浓度的增加，导致溶液黏度增大，在纤维成型过程中得不到充分牵伸，继而导致纤维直径增大。并且由于静电纺丝过程中纺丝头处滴液的情况，还会使纤维在牵伸成型 过程中溶剂得不到充分挥发而使纤维缠结在一起，最终导 致所制备的纳米纤维膜的表面不平整。因此，PHB-10 纳米纤维的纺丝质量浓度为最佳混合比例。

3.2 保湿性能

表2是不同质量浓度PHB纳米纤维膜的保湿性能测试结果。由表2可知：随着PHB溶度的增

加，皮肤对水的增幅先增加后降低，增幅量从72.4% 上升到81.0%。PHB-12纳米纤维膜对皮肤水的增幅降低，这主要是因为纺丝液质量浓度高，纺制的 纤维膜直径较大，皮肤吸收度降低。PHB-10的纤维膜对皮肤的保湿补水增幅最大，这归因于PHB-10纺丝溶液质量浓度适中，纺制的纤维膜直径比PHB-12溶液纺制的纤维膜直径小，能够被皮肤很好吸收，所以保湿性能良好。PHB-8的纤维膜虽然纤维直径小，但是质量浓度过低，导致其保湿性能不如PHB-10的纤维膜。皮肤表面的含油量对面膜使用前后皮肤表面的水分质量分数有直接影响，因为皮肤角质层表面会形成一层疏水性的油膜， 阻碍外部水分进入角质层， 从而影响纳米纤维膜的保湿性能，因此在油分质量分数增幅不大的情况下测皮肤的水分质量分数，以此确保实验的准确性^［9］。

3.3 力学性能

3组不同质量浓度的PHB 纳米纤维膜纤维的应力应变图如图8所示。PHB-8、PHB-10和PHB-12 纳米纤维膜的平均弹性模量分别为0.18、0.14 MPa和0.19 MPa，PHB-8、PHB-10和PHB-12纳米纤维膜的平均抗拉强度分别为1.30、1.00 MPa和1.56 MPa。从图8中可以看出，随着溶液质量浓度的增加，纳米纤维膜的力学性能基本保持不变。对PHB-8、PHB-10和PHB-12三种纳米纤维膜进行对比，PHB-10纳米纤维膜的保湿性能最佳，优于PHB-8和PHB-12纳米纤维膜，且PHB-10 纳米纤维膜的纤维平均直径小于PHB-12纳米纤维膜，与PHB-8纳米纤维膜的纤维平均直径接近，综合考虑应选择PHB-10溶液制备纳米纤维基速溶补水面膜。

3.4 速溶性能

PHB-10纳米纤维膜的速溶实验过程如图9所示。由图9（a）—（f）可知：纤维膜在接触到去离子水时就开始溶解，并在水中迅速消散，在第5 s时，纤维膜的主体已全部溶解， 只有一些细小颗粒飘散在去离子水中，第6 s时，纤维颗粒几乎全部溶解，过程非常迅速。纤维膜如此快速地溶解，是因为纺制纤维的溶b液中PEG-14M、HA和丁二醇都是水溶性物质，所以纤维膜易溶于水。另外，由于静电纺丝的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高 的优势，使得纤维与水的接触面更大，更易溶于水。因此，PHB纳米纤维面膜是一款速溶型纳米纤维面膜。使用喷瓶在面膜部位喷水或精华液后，面膜可以瞬间溶解，面膜中的功效小分子可以被皮肤快速吸收，更好地作用于皮肤^［10］。与传统面膜相比，纳米纤维面膜能让皮肤在同样的时间内吸收更多的营养成分，这样不仅减少了护肤所需的时间，还提升了护肤的效果，从而提高护肤效率，其次固态纳米纤维面膜中不需要添加防腐剂，快捷方便，经济实惠。

4 结论

本文通过对移动式电 流体喷射装置的研究，模拟了不同参数的纺丝头尖端电场强度，通过 改进后的微型静电纺丝装置，成功纺制出水溶性纳米纤维膜，并对纤维膜性能进行测试分析，得到的主要结论如下：

a）经优化后，微型静电纺丝仪的电场强度平均值最大为1.2×108 V/m，PHB-10纳米纤维膜的平均直径是284.8 nm，CV值为19.8%。

b）使用PHB-10纳米纤维膜后，可以使皮肤水分质量分数的增幅达到81.0%，表现出良好的保湿补水功能。

c）PHB-10纳米纤维膜遇水6 s内几乎全部溶解，具有显著的速溶效果。

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Design of an micro-typed electrospinning instrument and its application in the development of nanofiber-based instant hydrating masks

LIU" Yanbo^1，2，" YANG" Congcong1， "YANG" Mengxue1，" CHEN" Lunxiang1，" HU" Quanzhi2，" JI" Hua2，" YANG" Bo1

（1a. School of Textile Science and Engineering; 1b. State Key Laboratory of New Textile Materialsand Advanced Processing Technologies， Wuhan Textile University， Wuhan 430200， China;2.Winnermedical （Wuhan） Co.， Ltd.， Wuhan 430415， China）

Abstract：

In recent years， with the rising living standards in China， consumer attitudes have gradually shifting. Women and even men have an increasing high pursuit of skin care， and the consumer base for facial masks has been expanding. Owing to their high porosity， large specific surface area， high air permeability， and small pore size within the fibers， nanofibrous membranes prepared by electrospinning technology have the characteristics of great specific surface area， excellent porosity， perfect adhesive biocompatibility， good moisture retention and water holding capacity. Therefore， it is of great significance to build a micro-typed electrospinning instrument to prepare nanofiber-based facial masks to occupy the high-end facial mask market in China. The micro-typed electrospinning instrument studied in this project is small in size， convenient to carry or move， and the charge will tend to gather at the position with the largest curvature and the strongest adsorption force （namely needle tip）. It enables continuous and stable electrospinning， and it does not require disassembly of the device for battery replacement， so it can be directly charged and used， and the electrospinning can be used continuously. It marks a significant advancement in the nanofiber production technology via electrospinning， and its application in medical aesthetic masks promises to be a breakthrough in the field of nanofiber masks. Based on the design scheme of a mobile electrospinning device with current extraction， this study used COMSOL finite element analysis software to analyze and discuss the electric field uniformity of the liquid surface at the outlet of the nozzle with different spinning-methods， explored the influence law of electrospinning voltage and collection distance on the electric field strength， and determined the optimal data of spinning-methods. Soluble nanofiber facial masks were fabricated by using the electrospinning method， and the effects of different solution ratio， applied voltage， collection distance and liquid supply speed on the surface morphology of nanofiber were explored. Then the properties of nanofiber facial mask were comprehensively analyzed to highlight the advantages of the nanofiber facial mask. When the diameter of the conical spinning head was 0.6 mm， the length was 8 mm， the receiving distance was 120 mm， and the spinning voltage was 25 kV， the average electric field strength was 1.2×108 V/m. A water-soluble nanofiber membrane was prepared by mixing PEG-14M， HA， and 1，3-BDO in a 40∶1∶4 ratio to form the spinning solution. Subsequently， various properties of the fiber membrane were analyzed. Using a 10% PEG/HA/BDO （PHB） solution， the liquid supply speed was 0.2 ml/h， the receiving distance was 200 mm， and the spinning voltage was 25 kV. The average fiber diameter was 284.8 nm， with a CV value of 19.8% and exhibiting uniform fiber distribution， resulting in an 81% increase in skin moisture. It dissolved completely in deionized water within 6 seconds. Therefore， the PHB facial mask developed by the micro-typed electrospinning instrument is a convenient and economical instant nanofibrous facial mask， where the effective small molecules can be quickly absorbed by the skin， resulting in shortening the skin care time.

Keywords：

micro-electrospinning instrument; nanofiber; finite element analysis; electric field strength; instant hydrating mask

基金项目： 国家自然基金项目（51973168）；“武汉英才”湖北省武汉市高层次人才项目（武财行［2022］734）

第一作者： 刘延波（1965—），女，吉林农安人，教授，博士，主要从事静电纺丝技术与原理方面的研究

通信作者： 杨波，E-mail：ybo@wtu.edu.cn