一、研究背景

电纺丝是一种通过流体和静电相互作用产生纳米纤维的工艺，目前正朝着两个方向快速发展。在第一个方向上，电纺丝正在从不同方面发展其生成新型聚合物纳米纤维的能力，例如处理更多不同种类的工作流体以生成新型纳米纤维、 以同轴、并排和组合等不同方式实施工艺，大规模生产纳米纤维，以及通过与其他传统化学或物理方法相结合转换纳米纤维（图 1）。

图1.电纺丝的概念、开发和应用。

电纺丝的第二个发展方向涉及加深对工作流体的电流体动力雾化 (EHDA) 的了解，其核心是单步但 “极其复杂 ”的过程的机理。电纺丝中的大多数问题都与基于界面的工程考虑因素有着深刻的关系，例如：(1) 流体与其喷丝头之间的接触面，该接触面引导前者进入电场；(2) 工作流体与环境之间的动态界面；(3) 多流体电纺丝过程中的流体-流体界面相互作用；以及 (4) 溶剂从流体中逸出及相关凝固机制。虽然有报道称一些改良的同轴和三轴电纺工艺是基于调整气液接触形式，但这些工艺一般都旨在通过采用额外的溶剂作为单独的工作流体来优化制备条件。与传统工艺相比，改进后的工艺具有很大优势，可以控制聚合物流体的凝固速率，进而生成高质量的纳米纤维。然而，它们不可避免地会增加静电能量的消耗，而这在改良电纺丝和传统电纺丝中都是被忽视的。

利用金属毛细管作为喷丝板时，电能可以很容易地转移到工作流体中，喷丝板被认为是电纺丝系统中最重要的部分。电纺丝系统的其他三个部分是流体驱动泵、高功率电源和纤维收集器。迄今为止，喷丝板纹理和流体之间表面的影响很少受到关注。而在所有类型的电纺方法中都能观察到这种影响，包括气泡电纺、无针电纺、自由表面电纺、反应电纺以及最常见的针式喷丝板电纺。

电纺纳米纤维已在环境、能源、医药和功能性织物等许多领域显示出卓越的应用潜力。实验室中的许多新可能性可用于开发新的商业产品。因此，纳米纤维的大规模生产最近受到越来越多的关注。相应地，降低电纺纳米纤维成本的方法也相当重要。电纺过程中的节能将对所生产产品的价格产生相当大的影响，因此值得深入研究。

在理想的生产流程中，输入电纺丝工艺的所有电能都用于将工作流体拉伸和凝固成固体纳米纤维。然而，在能量传递和工作过程中，不可避免地会有一些能量流失到环境中。在电纺丝系统中，喷丝板是电能和工作流体的汇聚地。在文献中，几乎所有报道的喷丝板都由金属制成，尤其是不锈钢，因为金属具有良好的机械性能和导电性。因此，这种材料总是由喷丝板组成，以将静电能量传递给工作流体。全金属喷丝板通常通过鳄鱼夹与电源连接。然而，金属喷丝板和鳄鱼夹同样可以通过大气将静电能量分散到环境中，尤其是在潮湿的天气里。因此，我们假设由非金属组成的其他喷丝板在向工作流体输送静电能量方面可能更有效，这对大规模生产具有重要意义。

在这项研究中，我们开发了一种带有固体聚四氟乙烯芯棒的同心喷丝板，然后利用它实施了一种节能电纺丝工艺，生产出了由分布在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基质上的酮洛芬（KET）组成的药物纳米纤维。此外，还采用了一种传统的电纺丝工艺，将单轴金属管作为喷丝头，使用相同的工作流体制造纳米纤维。比较了两种工艺的能源成本以及所生成纳米纤维的特性和性能。

二、摘要

尽管电纺纳米纤维在各个领域的潜在商业应用不断扩大，但对于降低成本和技术可行性非常重要的节能问题迄今为止却很少受到关注。本研究开发了一种带有固体特氟隆芯杆的同心喷丝板，以实现节能电纺工艺。分别以水溶性较差的药物酮洛芬和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为模型和成丝基质，通过传统的管式电纺丝法和所提出的固体杆式电纺丝法获得纳米纤维薄膜。通过体外药物溶解实验和体内舌下药物渗透实验比较了薄膜的功能性能。结果表明，两种类型的纳米纤维薄膜在医疗应用方面没有明显差异。不过，新工艺所需的能量仅为传统方法的 53.9%。这一成果的取得得益于基于应用表面改性的几项工程改进，例如喷丝头的空气环氧树脂表面能量分散性更低、特氟龙芯棒无毛细管反向力的自由液体导向以及更小的液体-特氟龙粘合力。还可以探索其他非导电材料，以开发具有良好工程控制能力和节能效果的新型喷丝板，从而获得低成本的电纺聚合物。

三、结论

有两个关键步骤会影响电能驱动电纺丝的效率，即向工作流体有效输送高电压和轻松启动泰勒锥。我们探索了两种工程策略，以自制的同心结构喷丝板为基础，采用固体聚四氟乙烯芯针，实现节能工艺。与传统的基于金属管的电纺丝相比，新工艺在类似制备过程中仅消耗 53.9% 的电能。两种工艺制备的纳米纤维在形态、尺寸分布和无定形特性方面没有明显差异。纳米纤维具有相似的体外溶解速率和体内外药物渗透功能表现，是 KET 原粉的 10 倍以上。随着商用电纺产品越来越多地进入市场，工作过程中的节能问题有望引起人们的关注，从而降低功能纳米纤维的生产成本。所提出的方案介绍了一种可用于节能纳米制造的新型电纺丝技术，并探讨了与 EHDA 中电能-流体相互作用相关的新理论问题。

图2.同心喷丝板的概念设计，采用固体聚四氟乙烯芯棒和传统的不锈钢针作为对照。

图3.拟议的带有实心特氟隆棒的同心喷丝板。(a) 喷丝板内部结构示意图。(b) 完整喷丝板的数码照片。

图4.基于带有聚四氟乙烯芯棒的同心喷丝板和纳米产品微成型的节能机制。(a) 浪费电能的反向力。(b) WCA 显示工作流体在不同表面纹理上的粘附力。(c) 产品的变化与流体中 PVP 浓度的函数关系。