静电纺丝技术中微量注射泵应用及原理

微流控芯片

近些年，纳米材料在社会生产生活中得到了广泛应用。静电纺丝技术，是目前材料领域最为常见的一种制备聚合物纳米纤维的方法，将聚合物溶液以一定的速度从带有毛细管的微流泵中推出，将毛细管部分置于强电场中，聚合物溶液会在强电场的作用下，会在毛细管顶端形成泰勒锥；逐渐增大电场强度，至聚合物溶液克服表面张力形成喷射细流；喷射细流在强电场中做不规则运动并分裂成多股细丝纤维，最终在电场的负极形成无纺布形式的纳米纤维。微流注射泵作为静电纺丝过程中重要的给料设备，其运行的精度和稳定性直接影响着产出纳米纤维的品质。目前现有市场的多数的微流泵系统结构复杂、管理控制方式较为单一，不能做到自动实时而准确的反应微流注射泵运行状态。

静电纺丝技术，一种在高压静电环境下，利用聚合物溶液进行纺丝的工艺，能够制造出直径介于几十到几百纳米的纤维。这些纤维不仅孔隙率高、比表面积大，而且成分丰富多样、直径分布均匀。正因如此，静电纺丝技术在生物医学、环境工程以及纺织等多个领域中均展现出卓越的应用潜力。

一、静电纺丝的原理

静电纺丝，也被称为聚合物喷射静电拉伸纺丝，其工作原理与传统纺丝方法大相径庭。在此过程中，聚合物溶液或熔体被施加几千至上万伏的高压静电。带电的聚合物液滴在电场力的作用下，于毛细管的Taylor锥顶点被迅速加速。一旦电场力超越表面张力，聚合物液滴便会形成喷射细流。随着细流在喷射过程中溶剂的蒸发或固化，最终在接收装置上沉积，从而形成类似非织造布状的纤维毡。值得注意的是，在静电纺丝的过程中，液滴始终带有一定的静电压并置身于一个电场之中。因此，当射流从毛细管末端向接收装置移动时，会出现显著的加速效果，进而导至射流在电场中受到拉伸。

二、静电纺丝的装置构成

静电纺丝的装置主要包括推进泵、注射器、高压电源以及接收装置。这些组件协同工作，共同完成纤维的静电纺丝过程。特别地，高压电源的正极与负极分别与注射器的针头和接收装置相连接，形成了一个完整的静电纺丝回路。而接收装置的设计也是灵活多样的，它可以是静止的平面、高速转动的滚筒，或者是其他形式的圆盘，用于接收并沉积纤维。

三、应用

（一）在生物医学领域，由于纳米纤维的直径小于细胞，它们能够模拟天然细胞外基质的结构和功能。鉴于人体内大多数组织与器官在形式和结构上与纳米纤维相似，这使得纳米纤维在组织和器官修复方面具有潜在应用。此外，某些静电纺原料不仅具有良好的生物相容性，还可降解，非常适合作为载体进入人体。加之纳米纤维的大比表面积和孔隙率等优异特性，它们在药物控释、创伤修复以及生物组织工程等多个方面均已展现出显著的应用价值。

（二）在纤维过滤材料领域，纤维直径的减小可以显著提高过滤效率。静电纺纳米纤维凭借其直径小、孔径小、孔隙率高以及纤维均一性好等特点，在气体、液体过滤以及个体防护等多个方面都展现出巨大的应用潜力。

（三）通过静电纺丝技术，可以精细调控纤维结构，结合低表面能物质，制备出具有超疏水性能的材料。这类材料在船舶外壳、输油管道内壁、高层玻璃以及汽车玻璃等自清洁领域具有潜在应用。然而，要实现这些应用，还需进一步提高材料的强力、耐磨性，并增强纤维膜材料与基体材料的结合牢度。

（四）纳米结构的催化剂颗粒容易团聚，从而影响其分散性和利用率。而静电纺纤维材料可以作为模板，有效分散这些催化剂颗粒。同时，其柔韧性和易操作性也有助于提高催化效能。此外，静电纺丝技术还可以利用催化材料与聚合物微纳米尺寸的表面复合产生的协同效应，进一步提升传感器性能。

（五）静电纺纳米纤维的高比表面积和孔隙率特性使得它们在传感材料领域具有显著优势。它们能够增大传感材料与被检测物的作用区域，有望大幅提高传感器性能。同时，静电纺纳米纤维在能源、光电以及食品工程等领域也展现出广阔的应用前景。

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