DOI:10.1016/j.cej.2020.126561

本文提出了一种新的静电纺丝法，该方法通过使用纳秒上升时间高压脉冲发生器进行电场操纵，来控制纤维在介电基板上的排列和沉积。所提出的技术解决方案的独特之处在于能够控制聚合物射流在电极间空间中的定位，并具有将射流稳定和保持在任意点的可能性。初步的数值模拟显示了在含一个注射器和两个圆柱形收集器的几何形状中的电场分布。该方法获得了具有2-4°解取向度的基于聚酰胺6/66共聚物的取向材料样品。对基于聚酰胺的取向材料的热学和力学性能进行了研究，并且对于电纺丝纤维而言，这是首次通过X射线衍射在小角度和宽角度下发现聚合物微晶的微观取向效应。所制备的材料在宏观和微观两个层面上都会发生取向。本文论证了以65°和90°的给定纤维取向堆叠多层，并通过反极性工作原理将聚合物纺丝在各种介电基板上来制备材料的可能性。在静电纺丝中控制纤维排列的能力将扩大高效生产聚合物非织造材料的可能性，该非织造材料具有给定的体系结构和独特的理化特性，可以解决一系列医疗和技术挑战。

图1.（a）用于制备取向纤维的两通道（1蓝色和2黄色）静电纺丝装置的示意图，由以下部分组成：四个20kV固态开关（换向器），包括20个串联的IRG7PH42UD 1200V-IGBT晶体管；两个驱动器，用于将驱动电压转换为HVS控制环路电流，电流隔离和最小化晶体管的瞬态时间；DG-低压驱动发电机；HVDC-双极高压可调直流电源；Gnd-接地点；两个圆柱形的铜收集器1、2。MFC-F-200CV质量流量控制器，带有空气压缩机Metabo Basic 250-24W作为注射泵。（b）集电极电压U和脉冲前沿。上升和下降时间为150ns（按10-90％水平），dU/dt高达200V/ns。

图2.在高压脉冲切换期间的三个时间间隔内电极间隙和集电极空间中的对数刻度（log2）电场强度：a）t0=0，b）t50=50ns，和c）t50=150ns以及d）切换后空气中的电流体动力学射流运动。

图3.由PA6/66制成的取向材料以及含取向和各向同性纤维的材料样品的SEM图像。（a）单向取向材料的放大SEM图像和纤维直径分布，（b）SEM图像和纤维角度偏差分布，（c）取向材料样品：带25x5cm2和管11x1.1cm2，（d）各向同性材料的SEM图像和角频率分布。

图4.X射线研究的结果。WAXS数据：PA6/66样品的二维衍射图：（a）薄膜，（b）拉伸薄膜和（c）电纺丝材料（伸长轴垂直指向）；（d）所研究样品PA6/66的径向扫描；（e）对取向样本进行100、010/110反射的方位角扫描。电纺PA6/66样品的SAXS数据：（f）在子午方向扫描，显示出明显的最大值；（g）二维衍射图，方向轴是垂直的。

图5.纤维材料PA6/66的平均拉伸曲线，具有95％置信带的值的统计分布：1-沿取向（杨氏模量-430±40MPa，强度-47±2.4MPa）；2-各向同性材料（杨氏模量-241±30MPa，强度-30±2.3MPa）；3-垂直于取向（杨氏模量-150±30MPa，强度-17±1.0MPa）

图6.用于沉积在电介质覆盖的收集器上和制备非织造多向纤维取向材料的设置变化：（a）负极注射器。带负电的纤维铺设在电介质上，直到其电荷完全补偿外部电场并且静电纺丝过程停止。（b）正极注射器。极性相反会导致带正电荷的纤维沉积到先前的负电荷层上。然后重复该过程。（c）在90°和（d）45°的四收集器中对多方向取向的纤维层进行静电纺丝。1，2-黑色-连接到HV发电机的一对有源集电极，白色-连接到HVDC的无源集电极。

图7.具有不同纤维层取向的PA6/66材料的SEM照片：（a）垂直纤维取向。（b）样品和取向纤维部位的尺寸。（c，d）菱形纤维堆积。