一、研究背景

近年来，由于电纺纳米纤维基材料具有比表面积高、导电性能好、物理化学性能稳定以及充放电速度快等特点，其在超级电容器电极材料中的应用引起了广泛关注。虽然传统的单针电纺（SNE）装置应用广泛、操作简单，但由于产量极低，其产业化受到限制。与单针电纺相比，多针电纺在一定程度上提高了产量，但针间电场的相互干扰影响了纺丝过程，且堵针问题一直未能解决。无针电纺装置从根本上解决了堵针问题，能更有效地制备微/纳米纤维。

随着电纺纳米纤维应用领域的不断扩大和人类需求的变化，各种功能性纳米纤维作为具有发展前景的材料应运而生，如导电纤维、相变纤维、抗静电纤维和抗菌纤维等。因此，利用电纺丝批量制备高性能功能纳米纤维已成为当前的研究热点。用于制备不同功能纳米纤维的纺丝溶液性质各异。当纺丝溶液中含有不溶性功能纳米粒子时，这些粒子通常不能很好地分散在溶液中。特别是在纺丝过程中，当溶液停留在储液槽中时，纳米颗粒会下沉。这会导致溶液明显分层，最终产品中的功能纳米粒子分布不均，降低产品性能。

在我们之前的研究中，提出了一些自制的自由表面电纺丝（FSE）装置，用于高通量制备纳米纤维。特别是我们课题组开发的球形截面自由表面电纺（SSFES）装置，与其他作品相比，可以制备出产量和质量都更高的纳米纤维。然而，在 SSFES 设备中，纺丝溶液中的纳米颗粒很容易下沉，导致纳米颗粒在获得的纤维中分布不均。 由于纳米氧化锌具有稳定的物理和化学性质、良好的生物相容性、优异的光电性能、无毒、抗菌活性强、价格低廉等特点，可以应用于各个领域，提高产品的性能和技术指标。 本文设计并开发了一种带多个进气口的电纺丝装置（EMAI），用于批量制备含有 ZnO 纳米粒子的功能纳米纤维，如图 1 所示。 在批量制备纳米纤维的过程中，该装置通过多孔产生的气流使纺丝溶液中所含的氧化锌纳米粒子保持均匀分散。 气流减少了纳米粒子的团聚，从而获得了氧化锌含量均匀的纳米纤维。 此外，还利用实验和理论分析探讨了这种用于批量制备纳米纤维的新型装置的纺丝机理，并确定了最佳纺丝参数。

二、摘要

随着电纺纳米纤维应用的日益广泛，批量制备含纳米颗粒的高性能功能纳米纤维成为研究热点。由于纳米粒子在功能纳米纤维中的分布均匀性对其性能有很大影响，因此提出了一种具有铜质多孔喷丝板的多进气口电纺装置，以获得产量更高、纳米粒子分布更均匀的功能纳米纤维。通过实验和理论分析，研究了该装置批量制备含 ZnO 纳米粒子的功能纳米纤维的机理。实验数据与理论分析结果吻合，表明在适当的电压（50 kV）和气流（50 m3/h）条件下，该装置能使纺丝溶液中含有的氧化锌纳米粒子在纺丝过程中保持均匀分散，从而获得氧化锌纳米粒子分布更均匀的功能纳米纤维，其质量和产率均高于其他高产电纺装置制备的纳米纤维。

三、结论

使用带多个进气口的电纺丝装置（EMAI）批量制备 ZnO/PAN 纳米纤维。研究发现，与 SSFSE 相比，EMAI 所获得的复合纳米纤维中 ZnO 纳米粒子的分布更为均匀。这是因为在 EMAI 纺丝过程中，通过多孔的气流使纺丝溶液中的 ZnO 纳米粒子保持均匀分散，减少了纳米粒子的团聚。通过实验研究了空气流速对纺丝效果的影响，结果表明过大或过小的空气流速都不利于获得高质量的功能纳米纤维。当空气流速为 50 m3/h 时，仅产生少量微气泡，从而得到 ZnO 纳米粒子分布均匀的 ZnO/PAN 纳米纤维。

此外，还通过实验和理论研究了纺丝电压对 EMAI 过程以及 ZnO/PAN 纳米纤维质量和产量的影响。理论和实验结果一致，表明随着纺丝电压的增加，纺丝溶液表面产生的喷流数量也增加。然而，过高的纺丝电压（60 kV）会使喷流不稳定，纺丝速度过快，导致纤维和纤维束变粗。当电压为 50 kV 时，纺丝过程稳定，ZnO/PAN 纳米纤维的质量和产量都很高。这为批量制备均匀负载纳米粒子的功能纳米纤维提供了一种方便有效的方法，从而拓展了功能纳米纤维在未来的实际应用。

图1.EMAI 的示意图（a）；铜质多孔喷丝板的三维示意图（b）及其相应的纵切面（c）和横切面（d）。

 

图2.不同空气流量（150 m3/h (a)、100 m3/h (b)、50 m3/h (c) 和 0 m3/h (d)）和电压（40 kV (e)、50 kV (f) 和 60 kV (g)）下的 EMAI 纺丝过程。