DOI: 10.1016/j.ces.2022.117817

喷丝头的几何设计与无针静电纺丝技术制备纳米纤维密切相关。现有的自由液面喷丝头存在空气/溶液接触表面积大、电场和纤维直径分布不均匀、聚合物溶液稳定性差等缺点，阻碍了进一步的工业进展。本研究提出了一种从设计到模拟和实验的策略，以开发一种新型环状狭缝式无针静电纺丝系统。通过有限元方法讨论了喷丝头几何形状对电场分布和强度的影响。进行了大量实验以验证环状狭缝式静电纺丝的可行性。采用响应面法研究了溶液浓度、外加电压、气流速度等主要工艺参数。总体而言，这种新型无针静电纺丝装置在纳米纤维的工业生产方面显示出巨大的潜力。

图1.无针静电纺丝系统中不同类型喷丝头的电场分析。（a）喷丝头的型号。（b）相应喷丝头的电场强度分布。（c）沿轴的电场强度图。

图2.本实验使用的喷丝头结构及其纤维制品示意图。（a）环状狭缝式静电纺丝示意图。（b）使用不同收集器，通过环状狭缝式静电纺丝得到不同的纤维产品。比例尺为5cm。

图3.环状狭缝曲率对（a）平面环状狭缝、（b）波峰-波峰环状狭缝、（c）波峰-波谷环状狭缝、（d）锐-锐环状狭缝和（e）锐-钝环状狭缝电位分布的影响。环状狭缝曲率对（f）平面环状狭缝、（g）波峰-波峰环状狭缝、（h）波峰-波谷环状狭缝、（i）锐-锐环状狭缝和（j）锐-钝环状狭缝电场强度分布的影响。（k）沿轴的电场强度分布的3D图。（l）和（M）分别为（k）中左峰值和右峰值的最大值图。（n）从喷丝头到收集器的电场强度分布的3D图。模型0、1、2、3和4分别代表平面、波峰-波峰、波峰-波谷、锐-锐和锐-钝环状狭缝。

图4.感应电极（IE）对电场强度分布的影响。不同感应情况下环状狭缝的正视图：（a）无感应，（b）带有外感应电极，（c）带有内感应电极，（d）带有内外感应电极。不同感应情况下环状狭缝的俯视图：（e）无感应，（f）带有外感应电极，（g）带有内感应电极，（h）带有内外感应电极。（i）沿轴的电场强度分布的3D图。（j）从喷丝头到收集器的电场强度分布的3D图。模型0、5、6和7分别代表无感应、内感应电极、外感应电极以及内外感应电极。

图5.环状狭缝式静电纺丝气流轨迹的动态仿真。

图6.不同实验参数制备的纳米纤维示意图。（a-d）不同气流速度下制备的纳米纤维的SEM图像和纤维直径分布：（a,a'）5m/s，（b,b'）10m/s，（c,c'）15m/s，（d,d'）20m/s。（e-h）不同溶液浓度下制备的纳米纤维的SEM图像和纤维直径分布：（e,e'）8wt%，（f,f'）9wt%，（g,g'）10wt%，（h,h'）11wt%。（i-l）不同外加电压下制备的纳米纤维的SEM图像和纤维直径分布：（i,i'）10KV，（j,j'）15KV，（k,k'）20KV，（l,l'）25KV。所有比例尺对应于1μm。

图7.环状狭缝式静电纺丝不同参数的响应面法（RSM）设计。（a）气流速度和电压与纤维直径的响应面3D图。（b）溶液浓度和电压与纤维直径的响应面3D图。（c）气流速度和溶液浓度与纤维直径的响应面3D图。（a'-c'）（a,b,c）的相应等高线图。