Là một công nghệ chuẩn bị sợi nano hiệu quả cao, sợi tĩnh điện cao áp có lợi thế về quy trình đơn giản, đường kính sợi có thể kiểm soát (50nm-10μm) và khả năng thích ứng rộng của vật liệu, nó cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong y sinh học, vật liệu lọc, lưu trữ năng lượng và các lĩnh vực khác. Bài viết này từ ba khía cạnh của cơ chế tác động lực điện trường, hành vi phản lực dung dịch và quá trình tạo sợi, hệ thống phân tích các nguyên tắc cơ bản của thiết bị kéo sợi tĩnh điện áp cao.

　　I. Cơ chế hình thành máy bay phản lực dưới sự điều khiển của lực điện trường

Nguyên tắc cốt lõi của thiết bị quay tĩnh điện cao áp là sử dụng điện trường cao áp (thường là 5-30kV) để tích điện dung dịch polymer hoặc dung dịch tan chảy, khi lực điện trường vượt qua sức căng bề mặt của dung dịch, hình nón Taylor được hình thành và phun ra các tia tích điện. Quá trình vật lý của nó có thể được chia thành ba giai đoạn:

1. Giai đoạn tích lũy phí

Sự phân bố điện tích gây ra trên bề mặt dung dịch thông qua nguồn điện áp cao, và mật độ điện tích bề mặt dung dịch (σ) đáp ứng mối quan hệ với cường độ điện trường (E): σ=ε₀ε_rE, trong đó ε₀ là hằng số điện môi chân không và ε₀ là hằng số điện môi tương đối của dung dịch. Các giọt bị biến dạng thành nón Taylor khi lực điện trường (F_e=σE) được tạo ra bởi điện tích bề mặt vượt quá sức căng bề mặt của dung dịch (F_s=2πrγ, r là bán kính giọt và gamma là sức căng bề mặt).

2. Giai đoạn kéo dài không ổn định của máy bay phản lực

Sau khi dòng điện tích rời khỏi nón Taylor, sự bất ổn uốn được tạo ra do lực đẩy giữa các điện tích, trong khi lực điện trường kéo dài dòng phản lực liên tục, khiến đường kính của nó giảm mạnh từ hàng trăm micron xuống cấp nano trong một khoảng thời gian micro giây. Trong quá trình này, dung môi nhanh chóng bay hơi hoặc làm mát tan chảy để chữa khỏi, tạo thành sợi sơ sinh.

3. Giai đoạn lắng đọng và bảo dưỡng sợi

Các sợi tích điện bay về phía tấm thu dưới tác động của điện trường, điều khiển hướng sắp xếp sợi bằng cách điều chỉnh tốc độ chuyển động của tấm thu (0,1-10m/s) và phân phối điện trường. Đối với quay nóng chảy, nhiệt độ tan chảy cần được kiểm soát chính xác để tránh đứt sợi.

　　Thứ hai, ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật chính đến hình dạng sợi

1. Cường độ điện áp: tăng điện áp (10-25kV) có thể tăng cường lực điện trường và giảm đường kính sợi, nhưng điện áp quá cao (>30kV) dễ dàng bắt đầu xả tia lửa dẫn đến gián đoạn kéo sợi;

2. nồng độ dung dịch: nồng độ quá thấp (<5wt%) dẫn đến gãy máy bay phản lực, nồng độ quá cao (>20wt%) gây khó khăn cho việc hình thành hình nón Taylor do độ nhớt quá lớn;

3. Khoảng cách tiếp nhận: tăng khoảng cách (10-30cm) kéo dài thời gian bay hơi của dung môi và giảm liên kết sợi, nhưng khoảng cách dài sẽ làm giảm cường độ điện trường ảnh hưởng đến hiệu ứng kéo;

4. Thông số môi trường: Độ ẩm tăng (>60% RH) sẽ làm chậm sự bay hơi của dung môi, dẫn đến đường kính sợi không đồng đều; Nhiệt độ tăng (25-60 ° C) có thể làm giảm độ nhớt của dung dịch và thúc đẩy sự ổn định của sợi.

　　III. Mở rộng cảnh ứng dụng điển hình

1. Y sinh: Chuẩn bị khung sợi nano polylactic acid (PLA) để gắn kết và nhân lên tế bào trong kỹ thuật mô;

2. Lọc không khí: chuẩn bị màng sợi nano PVDF bằng cách kéo sợi tĩnh điện, hiệu quả lọc PM0.3 lên tới 99,97%;

3. Lĩnh vực năng lượng: Sử dụng sợi nano carbon dựa trên PAN làm vật liệu cực âm cho pin lithium-ion, công suất cụ thể được nâng lên trên 500mAh/g.

Thiết bị quay tĩnh điện áp cao đạt được kiểm soát cấu trúc đa quy mô từ vi mô đến vĩ mô bằng cách điều chỉnh chính xác các lực điện trường và hành vi lưu biến dung dịch. Với những đột phá trong các công nghệ như mảng đa kim, viết thẳng trường gần, quá trình ứng dụng công nghiệp hóa của nó đang không ngừng tăng tốc.