Le filage électrostatique à haute pression, en tant que technologie de préparation efficace de nanofibres, présente un grand potentiel d'application dans les domaines biomédical, des matériaux de filtration, du stockage d'énergie et d'autres domaines, grâce à son processus simple, à son diamètre de fibre contrôlable (50 nm - 10 μm) et à sa grande adaptabilité. Cet article analyse les principes de base de l'équipement de filage électrostatique à haute pression à partir du mécanisme d'action de la force du champ électrique, du comportement du jet de solution et du processus de moulage des fibres.

　　I. mécanisme de formation de jet sous la force de champ électrique

Le principe de base de l'équipement de filage électrostatique à haute pression est de charger une solution ou un corps fondu de polymère à l'aide d'un champ électrique à haute tension (généralement de 5 à 30 kV), qui forme un cône de Taylor et éjecte un jet chargé lorsque la force du champ électrique surmonte la tension superficielle de la solution. Son processus physique peut être divisé en trois étapes:

1. Phase d'accumulation de charge

La distribution de charge est induite à la surface de la solution par une alimentation haute tension et la densité de charge à la surface de la solution (σ) satisfait à la relation avec l'intensité du champ électrique (e): σ = ε₀εr, où ε₀ est la constante diélectrique du vide et ε₀ est la constante diélectrique relative de la solution. La goutte se déforme en cône de Taylor lorsque la force de champ électrique générée par la charge de surface (F = σe) dépasse la tension de surface de la solution (F = 2πr γ, r étant le rayon de la goutte et γ la tension de surface).

2. Phase d'étirement instable du jet

Après que le jet chargé ait quitté le cône de Taylor, une instabilité de flexion due à la répulsion inter - charge a été créée, tandis que les forces du champ électrique ont continué à étirer le jet, faisant chuter son diamètre de plusieurs centaines de microns à l'échelle nanométrique en un temps de l'ordre de la microseconde. Dans ce processus, le solvant se volatilise rapidement ou se solidifie par refroidissement à l'état fondu pour former des fibres primaires.

3. Dépôt de fibres et phase de durcissement

Les fibres chargées volent vers la plaque collectrice sous l'action d'un champ électrique, la direction de l'alignement des fibres peut être contrôlée en ajustant la vitesse de déplacement de la plaque collectrice (0,1 - 10 m / s) et la distribution du champ électrique. Pour le filage en fusion, la température de fusion doit être contrôlée avec précision pour éviter la rupture des fibres.

　　II. Influence des paramètres de processus clés sur la topographie des fibres

1. Résistance à la tension: l'augmentation de la tension (10 - 25KV) peut renforcer la force du champ électrique et réduire le diamètre de la fibre, mais une tension trop élevée (> 30kv) peut facilement déclencher une décharge d'étincelle entraînant une interruption du filage;

2. Concentration de la solution: une concentration trop faible (< 5% en poids) provoque la rupture du jet, une concentration trop élevée (> 20% en poids) rend difficile la formation du cône de Taylor en raison de la viscosité excessive;

3. Distance de réception: l'augmentation de la distance (10 - 30cm) prolonge le temps de volatilisation du solvant, réduit l'adhérence des fibres, mais une distance trop longue réduira l'intensité du champ électrique affecte l'effet de traction;

4. Paramètres environnementaux: l'humidité élevée (> 60% RH) retarde la volatilisation du solvant, ce qui entraîne un diamètre de fibre inégal; L'augmentation de la température (25 - 60 ° c) peut réduire la viscosité de la solution et favoriser la stabilité du filage.

　　Iii. Extension des scénarios d'application typiques

Biomédical: préparation d'échafaudages de nanofibres d'Acide polylactique (PLA) pour l'adhésion cellulaire et la prolifération dans l'ingénierie tissulaire;

2. Filtration d'air: par filage électrostatique pour préparer le film de nanofibre de PVDF, l'efficacité de filtration de pm0,3 est jusqu'à 99,97%;

Domaine 3.energy: utilisant la nanofibre de carbone à base de PAN comme matériau d'électrode négative de batterie au lithium - ion, la capacité spécifique est augmentée au - dessus de 500mah / G.

L'équipement de filage électrostatique à haute pression permet un contrôle structurel Multi - échelle du micro au macro en régulant avec précision la force du champ électrique et le comportement rhéologique de la solution. Avec les percées technologiques telles que les matrices Multi - aiguilles, l'écriture directe en champ proche et d'autres, son processus d'application industrialisé s'accélère constamment.