靜電紡絲噴頭疏通技術的研究進展

谷潤潤 李利芳* 吳業北 武華文 李守柱

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇843000）

納米纖維具有很大的比表面積、韌性和過濾性更好、機械穩定性好、纖維膜孔徑小、纖維連續性好等特點，被廣泛的應用于生物醫學材料、過濾材料、能源、電子、航空航天等各方面應用領域[1]。目前制備納米纖維的方法很多，但是最理想的制備納米纖維的方法是靜電紡絲法。由于靜電紡絲噴頭在使用時容易堵塞，影響生產納米纖維的產量，因此阻礙了工業化生產與推廣。由此科研人員開始對靜電紡絲的噴頭進行優化設計，提出解決噴頭堵塞的幾種方法，為了進一步提高納米纖維產量奠定基礎。

1 實現自動清潔噴頭

最早出現在市場上的自組裝單噴頭靜電紡絲裝置，該裝置的噴頭制造比較簡單,但是容易出現堵塞，因此出現產量低。為了提高紡絲產量，科研工作者對靜電紡絲噴頭堵塞的問題進行研究。蔣國軍等[2]設計了一種自清洗靜電紡絲噴頭，這種噴頭采用可拆分設計并有清洗管線，當噴管堵塞嚴重時，可以把噴管卸下來單獨清洗，有時出現一般堵塞可以在不拆卸噴頭就能實現對噴頭進行清洗，這樣可以靈活使用。朱自明等[3]設計了一種靜電紡絲裝置及其靜電紡絲噴頭的清洗，該靜電紡絲噴頭的清洗原理是：當系統的檢測裝置檢測到電流保持預定值時，噴頭出現堵塞，紡絲暫停，系統自動為噴頭噴灑清洗劑，噴頭潤濕，接著系統自動將噴頭運動到刷子處進行刷洗噴頭處的堵塞殘留物，實現自動清洗的目的。丁彬等[4]設計了一種靜電紡絲用組合式針頭，這種組合式針頭由空心不銹鋼針頭和帶放電尖端的不銹鋼針頭底座組成，設計簡單、拆卸方便且容易清洗，也不會出現噴頭出液端堵塞和多射流穩定性差的不足的現象，提高了紡絲的出液量，同時提高纖維膜的均勻性及成膜質量高。趙肖娟[5]設計了靜電紡絲噴頭的清理裝置，通過在電機輸出軸上固定旋轉平臺并對靜電紡絲噴頭進行定位，在電機旋轉帶動噴頭轉動并與相接的毛刷配合，在噴灑清洗劑的作用下清理靜電紡絲噴頭噴孔外的固化物，清理效果很好，這樣有效解決噴頭堵塞導致的納米纖維產量和性能下降的問題。陸振乾[6]設計了靜電紡絲頭清堵結構及靜電紡絲機，該紡絲頭在橫移裝置的帶動下，實現對準盛裝溶劑的容器以及疏通針。第一驅動裝置可帶動容器以及疏通針靠近或遠離紡絲頭，并對紡絲頭針頭內的凝固塊進行溶解以及疏通，能夠實現自動、快速且高效地完成對紡絲頭的清堵工作，提高工作效率。

2 實現自動剪切噴頭殘留凝固物

通過對靜電紡絲噴頭附近的殘留凝固物進行剪切，防止在下一階段紡絲時噴頭出現堵塞現象，同時為提高制備納米纖維的產量奠定了良好的基礎。劉耀文[7]等設計了一種用于靜電紡絲的多噴頭同步清理裝置，通過實現驅動裝置和復位裝置交替，使活動板在多個噴頭的前方作直線往復運動，活動板上的多個過料孔與對應的噴頭交錯瞬間，刮掉噴頭上的凝結物，達到清理噴頭的目的，保證下一次紡絲順利進行，為進一步提高生產效率。卓少木[8]等設計了一種靜電紡絲裝置及其靜電紡絲噴頭清理，該裝置主要包括視覺檢測部與切削部并且都與控制器連接，視覺檢測部主要判斷正常出絲以及堵塞造成的出絲過慢和不能出絲等狀態，切削部的設置位置與噴頭位置相匹配，移動切削噴頭處凝固堵塞的凝固物。當視覺檢測部檢測到紡絲噴射部的噴頭堵塞時，控制器自動控制切削部切削清除噴頭上的凝固物，能夠自動實現對噴頭的清理，解決噴頭堵塞問題。

3 實現噴頭中溶液或熔體自動恒溫

通過對靜電紡絲噴頭進行局部控溫，防止紡絲時溶液揮發過快出現噴頭堵塞現象。林曉峰等[9]設計了一種局部控溫靜電紡絲系統，該系統在針頭區和紡絲區設置了噴絲控溫裝置和紡絲控溫裝置，能夠實現局部控溫。當針頭區的溫度過高造成溶劑揮發過快，噴絲控溫裝置可以根據反饋的溫度信息實現制冷，避免針頭堵塞。當紡絲區內溫度不能保持恒定時，紡絲控溫裝置可以根據反饋的溫度信息進行實時調節，使紡絲腔內部溫度達到均勻，從而進一步使纖維達到穩定成形，提高纖維膜的質量。王晗[10]設計了一種熔體靜電紡絲裝置及其清堵裝置，該裝置在紡絲結束后，將噴嘴插入插孔內，加熱體對噴嘴進行加熱，溫度傳感器反饋溫度，使噴嘴內的廢料由固態轉化為熔融態，啟動真空泵產生負壓，將噴嘴內的熔融態的殘留廢料吸出，能夠達到使噴嘴內徹底自動清除干凈。

4 改善靜電紡絲噴頭的形式與結構

由于靜電紡絲噴頭在紡絲的過程中容易出現堵塞現象，因此科研工作者就從改進噴頭的形式與結構進行研究，市場上相繼出現了多噴頭、同軸噴頭、并肩/并列噴頭、無針噴頭等等。多噴頭是單噴頭特定方式下數量的擴展，雖然多噴頭紡絲可以批量化制備納米纖維，但是存在射流間電場產生強烈干擾的想象以及噴頭清潔與堵塞問題難以解決。雖然通過增加電場輔助裝置和改變噴頭的布置形式，可以減小噴頭之間電場的相互影響，但是不能徹底解決，因此人們逐漸由多針頭向無針頭靜電紡絲技術轉移并得到更廣泛的關注，現階段[11]我國科研人員對無針噴頭進行研究，可以提高納米纖維產量，同時也可以解決帶針式噴頭易容易堵塞問題。其工作原理是: 通過把紡絲電極放入聚合物溶液中，在旋轉電極的表面形成溶液層，在高壓的作用下調節電壓達到定值，這樣在旋轉電極表面的溶液層上出現許多類似泰勒錐的突起，再經過拉伸形成射流，最后在收集電極表面獲得納米纖維。張浩等[12]設計了一種無針式靜電紡絲裝置，該裝置通過高壓電源通電，在溶液槽注入溶液，電機帶動電極絲浸入溶液槽，在其表面形成不連續的液滴，液滴表面形成泰勒錐并發射紡絲，紡絲在向接收電極板運動過程中被接收帶截獲并聚集，從而在接收帶表面形成紡絲布。接收帶上的紡絲布被玻璃板剝離，經過張緊輥最終收集于卷筒上。該裝置整體結構簡單，紡絲效果好，同時解決了針頭容易堵塞問題，生產效率高，容易實現大批量生產。在2012 年Lin T教授課題組報道了“螺旋線圈”紡絲法[13]。線圈在紡絲液中旋轉，當電場強度達到臨界值時，線圈表面會產生多個射流，從而得到的納米纖維更加均勻及提高產量。

5 總結與展望

本文以靜電紡絲噴頭存在堵塞的問題進行研究，通過對靜電紡絲噴頭實現自動清洗、實現自動剪切噴頭殘留凝固物、實現噴頭中溶液或熔體自動恒溫、改善靜電紡絲噴頭的形式與結構等各種方式進行分析，可以得出通過這幾種方式能夠提高解決噴頭堵塞的問題及生產率有一定程度的提高，但是各有方式都有不足之處，有待需今后應該把實現自動清洗噴頭、剪切噴頭殘留物、恒溫噴頭中的溶液三種方式有效的結合起來以及進一步研究無針式靜電紡絲，能夠有效的解決噴頭堵塞，從而進一步提高制備納米纖維的產量。相信在各國科研人員的共同努力下，靜電紡絲噴頭及技術將會發生質的飛躍。