高壓靜電紡絲作為一種高效制備納米纖維的技術(shù)，憑借其工藝簡單、纖維直徑可控（50nm-10μm）及材料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)、過濾材料、能源存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。本文從電場力作用機制、溶液射流行為及纖維成型過程三方面，系統(tǒng)解析高壓靜電紡絲設(shè)備的基本原理。
 

　　一、電場力驅(qū)動下的射流形成機制

　　高壓靜電紡絲設(shè)備的核心原理是利用高壓電場（通常為5-30kV）使聚合物溶液或熔體帶電，當(dāng)電場力克服溶液表面張力時，形成泰勒錐并噴射出帶電射流。其物理過程可分為三個階段：

　　1.電荷積累階段

　　通過高壓電源在溶液表面誘導(dǎo)電荷分布，溶液表面電荷密度（σ）與電場強度（E）滿足關(guān)系：σ=ε?ε_rE，其中ε?為真空介電常數(shù)，ε_r為溶液相對介電常數(shù)。當(dāng)表面電荷產(chǎn)生的電場力（F_e=σE）超過溶液表面張力（F_s=2πrγ，r為液滴半徑，γ為表面張力）時，液滴變形為泰勒錐。

　　2.射流不穩(wěn)定拉伸階段

　　帶電射流離開泰勒錐后，因電荷間排斥作用產(chǎn)生彎曲不穩(wěn)定性，同時電場力持續(xù)拉伸射流，使其直徑在微秒級時間內(nèi)從數(shù)百微米驟降至納米級。此過程中，溶劑快速揮發(fā)或熔體冷卻固化，形成初生纖維。

　　3.纖維沉積與固化階段

　　帶電纖維在電場作用下飛向收集板，通過調(diào)整收集板運動速度（0.1-10m/s）和電場分布，可控制纖維排列方向。對于熔融紡絲，需精確控制熔體溫度以避免纖維斷裂。

　　二、關(guān)鍵工藝參數(shù)對纖維形貌的影響

　　1.電壓強度：電壓升高（10-25kV）可增強電場力，降低纖維直徑，但過高電壓（＞30kV）易引發(fā)火花放電導(dǎo)致紡絲中斷；

　　2.溶液濃度：濃度過低（＜5wt%）導(dǎo)致射流斷裂，濃度過高（＞20wt%）則因黏度過大難以形成泰勒錐；

　　3.接收距離：距離增加（10-30cm）延長溶劑揮發(fā)時間，減少纖維粘連，但過長距離會降低電場強度影響拉伸效果；

　　4.環(huán)境參數(shù)：濕度升高（＞60%RH）會延緩溶劑揮發(fā)，導(dǎo)致纖維直徑不均；溫度升高（25-60℃）可降低溶液黏度，促進紡絲穩(wěn)定性。

　　三、典型應(yīng)用場景拓展

　　1.生物醫(yī)學(xué)：制備聚乳酸（PLA）納米纖維支架，用于組織工程中細胞黏附與增殖；

　　2.空氣過濾：通過靜電紡絲制備PVDF納米纖維膜，對PM0.3過濾效率達99.97%；

　　3.能源領(lǐng)域：利用PAN基碳納米纖維作為鋰離子電池負極材料，比容量提升至500mAh/g以上。

　　高壓靜電紡絲設(shè)備通過精確調(diào)控電場力與溶液流變學(xué)行為，實現(xiàn)了從微觀到宏觀的多尺度結(jié)構(gòu)控制。隨著多針頭陣列、近場直寫等技術(shù)的突破，其工業(yè)化應(yīng)用進程正不斷加速。