近场静电纺丝2022最新综述：关键工艺、应用与挑战《ACS Appl. Bio Mater.》

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目录

1.近场静电纺丝 (NFES) 介绍及其工作原理

2.近场直写关键工艺参数

3.近场直写应用案例及相关研究

 

1.近场静电纺丝 (NFES) 介绍及其工作原理

近场静电纺丝 (NFES) 是一种基于喷射熔融聚合物或聚合物溶液的微米或纳米纤维生产技术。由于可编程收集器和喷嘴运动，它可以在存在电场的情况下生成设计图案。此外，随着纤维的结构范式从随机纹理转向精细设计，NFES可以弥补现有低效工艺和追求精确图案化技术之间的差距。NFES被认为是一种有效且优异的增材制造技术，它可以生产复杂的图案。由于近场电纺纤维其精确可控，在各种应用中都表现出优异的效果。

图1.NFES设置及其组件的基本示意图

 

近场静电纺丝 (NFES) 有两个主要部分：纺丝和图案化；前者与传统的远场静电纺丝(FFES)共享，而后者是NFES的独家优势。其装置包括高压电源、喷嘴和收集器，由于原理与传统的静电纺丝没有太大的不同，所以两者的设置非常相似也不足为奇。当施加电场时，电场力克服了针尖处的液滴表面张力，形成泰勒锥，随后墨水朝收集器发生拉伸和变薄，并且所有或一些油墨凝结(固化)在半空中；然后纤维最终在收集器上形成。

根据3D打印需要喷墨的特性，将其与高分辨率纤维制造技术相结合，来用于微米级和纳米级制造和原型制作。本质上，因为NFES 不存在射流的混沌运动，所以它可以产生排列整齐和图案化的纤维，与FFES不同，NFES可以生产2D 和三维图案。

图2 NFES 装置示意图。 (b)施加电压时泰勒锥和聚合物射流的形成，(c)探针尖端液滴的收缩，以及(d，e)沉积的纳米纤维图案

 

表1 传统静电纺丝(FFES)和NFES的优劣势比较

方法	工作距离（cm）	电压（kV）	进料速率[mL/h]	纤维直径（μm）	优势	劣势与挑战
传统静电纺丝(FFES)	10-15	10-50	0.1-1500	0.01-10	制造更细的纤维；简单流程；高生产率	随机模式；构建 3D 结构；溶液制备
NFES	≤1	0.2-3	0.03-2	0.05-200	可控纤维沉积；制作3D结构的能力；低电压	工艺复杂；生产速度低；溶液 制备

 

2.近场直写工艺参数

 

2.1溶解性能

必须使用最佳浓度的聚合物溶液来启动静电纺丝过程。在非常低的浓度下，由于溶液的低粘度和高表面张力，样品中会出现聚合物颗粒和岛状物。相反，当浓度增加到一个合理的阈值时，颗粒从圆形液滴转变为圆柱形，并最终转变为连续纤维。聚合物溶液的粘度和浓度密切相关，预计会有相应的表现。也就是说，当聚合物浓度非常高时，油墨变得非常粘，并且溶液不能从喷嘴中喷出，纤维就无法形成。相比之下，当粘度太低时，样品中会出现不连续的纤维和聚合物珠粒。

 

此外，溶液电导率还取决于聚合物和溶剂解决方案的特征和其他组成部分。溶液电导率的增加导致更细和均匀的纤维；然而，过高的电导率会使射流不稳定。最后，纤维湿度与溶剂挥发性成反比；当它增加到某一阈值时，纤维将受益于更圆的横截面(通常在干纤维中观察到)。

 

2.2工艺参数

NFES需要低电压，主要是由于喷嘴到收集器的距离较短。此外，尽管NFES从3D打印机和其他基于挤出的工艺中借鉴，但喷嘴和收集器之间电场的存在是严重偏离基于挤出的技术的基础。由于电力克服了聚合物的表面张力而产生喷射，墨水在半空中被拉伸。考虑到这一点，电压强度显然会对纤维产生重大影响。

 

进料速度决定了喷射速度和生成纤维的体积。较低的进给速度通常对 NFES 更有利，因为它们为油墨凝结或固化提供了足够的时间，并防止液体滴落在基底上。另一方面，随着进料速度的增加，平均纤维直径和孔隙率增加，水滴在结构中产生，纤维的湿度增加，特别是在进料速度过高的情况下。

 

喷嘴内径必须调整好，因为它是防止针堵塞或墨水滴落的关键特征。太小的直径可能导致针堵塞，而较大的喷嘴内径会降低油墨的表面张力；因此，需要较低的电场来形成射流，从而增加射流速度和纤维直径。

 

喷嘴和收集器之间的距离决定了喷射飞行时间和拉伸，这对纤维干燥度和直径有直接影响(即，更长的工作距离和更长的飞行时间会产生更细更干的纤维)。重要的是保持足够的距离，以允许充分的溶剂蒸发并抑制射流的抖动不稳定性。

 

越来越多的文献中提供了各种收集器和纤维收集方法，如平面、旋转、定制 3D 打印、液体和柔性绝缘收集器。收集器移动显著影响纤维直径和形态。

 

2.3环境参数

温度、相对湿度和环境气体成分等环境因素对电纺纤维有着深远的影响。升高的温度会加快蒸发速度，降低聚合物溶液的粘度。在相对较低的温度下，样品中存在珠子；因此，鉴于纤维应以合理的速度干燥，应提供最佳温度。在相对湿度的情况下，根据墨水的化学特性，靠近喷射的可用水分子会溶解在其中，从而形成多孔纤维。此外，在封闭环境中进行静电纺丝可以减缓溶液蒸发，因为大气中的溶液积累过多。事实上，研究人员还可以通过环境参数的报告来提高他们实验的可重复性，最后，对影响实验的环境参数进行总结。

 

表2 影响近场静电纺丝(NFES)的各种因素

影响因素	参数
溶液	粘度	浓度	导电率	表面张力		聚合物分子量(MW)
过程	电压	进料速度	喷嘴内径	喷嘴和收集器之间的距离		收集器移动速度
环境温度	温度		相对湿度		环境气体成分

 

3.近场直写应用案列及相关研究

 

3.1电子学

标题：近场静电纺丝2022最新综述：关键工艺、应用与挑战《ACS Appl. Bio Mater.》

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