一：研究背景

静电纺丝是一种经济高效的技术，它能利用带电聚合物溶液与收集板之间的静电吸引力，制备直径在几纳米左右的聚合物纤维非织造毡。静电纺非织造毡具有优异的机械性能，包括高比表面积、高孔隙率、小孔径以及易于功能化等特点。由于这些特性，它们在防护服、过滤、膜材料、复合材料增强纤维、光学传感器和电子产品、药物递送系统、生物医学应用、组织工程支架等领域有着广泛的应用，还可作为制备内径在纳米尺度的中空纤维的模型。

通过传统方法（如熔融纺丝、湿法纺丝和干法纺丝）制备的聚酰胺纤维直径范围在 10 到 500μm 之间。相比之下，由聚合物溶液静电纺丝制备的纤维直径通常在几十到几百纳米之间。当需要更大的比表面积时，较小的直径更为合适。除了纳米级的纤维直径外，制备光滑、均匀、无珠的纳米纤维，以及在沉积材料中不存在离散的聚合物珠，对于提高静电纺毡的结构质量至关重要，这使得它们适用于各种工业应用。传统静电纺丝采用毛细管法，需稳定泰勒锥来保证纺丝过程稳定，控制纤维直径和形态。但纤维沉积随机性是该技术面临的挑战之一，为此，不少研究人员尝试通过施加额外磁场或在针与收集器之间施加二次外部电场来控制静电纺丝射流，且取得了一定成果。

二：研究摘要

本研究专注于 PA11 纳米纤维的静电纺丝。PA11 因其较长的非极性链段，在过滤等领域可能具有更高的介电强度，有潜在应用价值。但目前关于 PA11 的相关研究相对较少，并且由于其在极性甲酸中的溶解度较低，进行 PA11 / 甲酸溶液的静电纺丝面临挑战。聚合物溶液静电纺丝纤维的形态受多种因素影响，包括聚合物分子量、溶剂体系、溶液浓度、粘度、电导率、环境温湿度以及工艺参数等。本研究在传统静电纺丝装置中添加金属环改变电场之前，先对溶液浓度和工艺参数（电压、针尖到收集器的距离和流速）展开初步研究，旨在确定 PA11 溶液静电纺丝的最佳条件。

三：核心研究发现

溶液浓度的关键作用：研究发现溶液浓度对 PA11 纳米纤维形成影响重大。6%（w/v）的 PA11/FA 溶液因粘度低，无法形成纤维，只能产生液滴。这是因为低浓度导致聚合物链缠结不足，无法维持连续射流。而 8% 和 10%（w/v）的溶液能够形成纤维，其中 10%（w/v）的溶液制备的纤维更光滑、均匀。从图 2（b）中可以清晰看到，10%（w/v）溶液纺出的 PA11 纳米纤维直且均匀 ，佐证了该浓度下纤维质量更优。

图2.在 25 kV 电压、12 cm 距离和 0.03 mL/min 流速下，浓度对 PA11 纤维形态的影响。PA11/FA（98%（v/v））溶液浓度为：(a) 8% 和 (b) 10%（w/v）时，静电纺 PA11 毡的扫描电镜图像（放大 3000 倍）。(c) 8% 和 (d) 10%（w/v）时纤维直径的相应直方图（每个扫描电镜图像在 10000 倍放大下测量 30 个直径）。

电压的复杂影响：电压对纤维形态的影响复杂且与针尖到收集器距离相关。通常，电压增加会使射流拉伸增强，纤维变细，但过高电压会导致纤维直径增大。在 4cm 的距离下，电压从 15kV 增加到 20kV 时，纤维直径减小，继续增加到 25kV 时直径又增大 ，这一现象在图 3（b）中得以体现。说明电压与其他参数相互作用，共同影响纤维形态，在实际生产中需要综合考虑这些因素。

图3. 不同参数下 PA11 纤维的平均直径：(a) 针尖到收集器距离（电压为 25 kV 时）；(b) 施加电压（4 cm 和 8 cm 距离时）。使用浓度为 10%（w/v）的 PA11/FA（98%（v/v））溶液，流速为 0.03 mL/min 进行静电纺丝。

针尖到收集器距离的影响：确定了静电纺 PA11/FA 溶液的最佳距离为 12cm。当距离从 4cm 增加到 16cm 时，平均纤维直径减小 。图 4 展示了不同距离下的纤维形态，4cm 时纤维出现扁平状，是由于溶剂蒸发时间不足；16cm 时纤维呈圆形，直径更小且更均匀，说明增加距离有利于溶剂蒸发，改善纤维形态。而 12cm 与 16cm 的纤维直径分布差异不显著，综合考虑确定 12cm 为最佳距离。

图4.在 25 kV 电压、10%（w/v）溶液浓度和 0.03 mL/min 流速下，针尖到收集器距离对 PA11 纤维形态的影响。针尖到收集器距离为：(a) 4 cm 和 (b) 16 cm 时，静电纺 PA11 毡的扫描电镜图像（放大 3000 倍）。(c) 4 cm 和 (d) 16 cm 时纤维直径的相应直方图（每个扫描电镜图像在 10000 倍放大下测量 30 个直径）。

流速对纤维的影响：流速对纤维直径有显著影响，且与浓度等因素相关。实验表明，在 8cm 和 12cm 的针尖到收集器距离下，流速从 0.03mL/min 增加到 0.06mL/min 时，纤维平均直径均显著减小 。这与一般认知中高流速使纤维直径增加不同，文中解释可能是因为聚合物溶液浓度低。从图 5可以看出，0.03mL/min 时纤维有梭形珠，0.06mL/min 时纤维更均匀且直径减小，证明流速变化会改变纤维形态。

第二电场的积极作用及优化参数效果：引入第二电场，尤其是使用两个电压递增的金属环时，显著提升了纤维质量。纤维均匀性提高，直径减小，平均直径可达 145.7±23.7nm，珠子形成极少。从图 6（a）中能够直观看到，按照优化参数制备的 PA11 纳米纤维呈均匀圆柱形，表面光滑、无珠 。优化参数为 10%（w/v）浓度、12cm 距离、+20kV 电压、0.01mL/min 流速和使用两个电压递增的环，在该条件下可制备出符合理想要求的纳米纤维。

图6. (a) 使用两个电压递增的环（S1=S2=+20kV），从浓度为 10%（w/v）的 PA11/FA 溶液中收集的 PA11 非织造毡的扫描电镜图像（放大 5000 倍），收集器距离为 12 cm，流速为 0.01 mL/min，收集器上施加 + 20 kV 电压（表 5）；(b) 相应的纤维直径直方图（扫描电镜图像在 10000 倍放大下测量 30 个直径）

四：研究结论

本研究调查了溶液浓度、针尖到收集器的距离、施加电压、流速以及引入第二电场等多个静电纺丝工艺参数对静电纺 PA11 纤维形态的影响。结果表明，这些参数之间存在复杂的相互作用，并且对纤维直径、均匀性和珠子形成有显著影响。

初步研究表明，6%（w/v）的 PA11/FA 溶液不适合用于纤维生产，由于粘度低会导致液滴形成。在较高浓度（8% 和 10%（w/v））下进行静电纺丝可形成纤维，其中 10%（w/v）的溶液能产生更光滑、更均匀的纤维。这证实了溶液浓度在静电纺丝过程中对纤维形成起着关键作用。

静电纺 PA11/FA 溶液的最佳距离被确定为 12cm，在该距离下纤维均匀性提高，珠子形成减少。电压对纤维形态的影响较为复杂，且取决于针尖到收集器的距离。虽然通常情况下，电压增加会由于射流拉伸程度增大而使纤维变细，但过高的电压会因溶液喷射过快和拉伸时间不足而导致纤维直径增大。针尖到收集器的距离、施加电压和流速是相互关联的。溶液输送速率和射流抽出速率之间的平衡非常重要，这突出了维持稳态静电纺丝的重要性。

引入第二电场显著提高了纤维的均匀性并减小了直径，特别是当使用两个电压递增的金属环时。这种设置产生的平均纤维直径最小（145.7±23.7nm），珠子形成最少。第二电场的存在增强了电拉伸作用，使纤维具有光滑的表面和圆形的横截面。这一结果可归因于静电场的调节，它能够更好地控制带电聚合物射流在向收集器移动过程中固有的不稳定性。

总体而言，静电纺 PA11/FA 溶液的优化条件为：浓度 10%（w/v）、针尖到收集器距离 12cm、电压 + 20kV、流速 0.01mL/min，以及在传统喷嘴静电纺丝系统中使用两个电压递增的金属环。这些条件可制备出均匀的纳米纤维，平均直径减小，珠子形成最少。这些发现有助于理解 PA11 的静电纺丝过程，并强调了微调静电纺丝参数以实现各种应用所需纤维形态的重要性。

文章来源：​https://orcid.org/0000-0002-1034-5411

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