Урок 13.9Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Электроспиннинг

Вытягивает струю полимера в нановолокна высоким напряжением

Электроспиннинг использует высокое напряжение, чтобы вытянуть раствор полимера в волокна в сотни раз тоньше волоса. Волокна складываются в лёгкую воздушную паутину — нановолоконный мат. Такие маты улучшают воздушные фильтры и маски и служат каркасами для выращивания тканей.

Фото: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

электроспиннинг · установка, увеличение конуса Тейлора и волокнистая паутинаЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; две рамки увеличивают кончик иглы и готовую паутину.

Как это работает

Приготовить раствор. Полимер растворяют в растворителе или расплавляют до нужной вязкости (насколько жидкость густая и медленно течёт).
Подать каплю. Шприцевой насос медленно подаёт раствор к кончику металлической иглы, где повисает капля.
Подать высокое напряжение. Источник обычно от 5 до 50 киловольт заряжает каплю. Электрические силы преодолевают поверхностное натяжение и вытягивают каплю в острие, называемое конусом Тейлора.
Струя и хлёст. Тонкая струя вылетает из вершины конуса, затем закручивается спиралью и бешено хлещет. Она растягивается в тысячи раз, пока растворитель испаряется.
Собрать волокна. Сухие волокна оседают на заземлённом коллекторе: плоской пластине для беспорядочной паутины, быстро вращающемся барабане для выровненных волокон или движущейся ткани на заводе. Затем мат снимают, ламинируют на основу или стерилизуют для медицинского применения.

Ключевые факты

Материалы: Растворы или расплавы полимеров: нейлон, полиэстер (PET), PVDF, PAN, биоразлагаемый PCL, PVA, коллаген, ацетат целлюлозы; также керамические прекурсоры
Типичные детали: Нетканые (войлокоподобные, не тканые) волоконные маты, фильтрующие слои на тканях, трубки, выровненные нити
Размер детали: Волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон; маты от лабораторных образцов до промышленных рулонов шириной в метры
Точность: Допуска на размер как такового нет: рецептура и режимы управляют диаметром волокна и его разбросом
Качество поверхности: Мягкая войлокоподобная паутина с огромной площадью поверхности и мелкими порами, задерживающими субмикронные частицы
Подходящая партия: От лабораторных граммов до рулонных производственных линий шириной в метры
Стоимость оснастки и оборудования: Лабораторная установка от нескольких тысяч долларов; промышленные линии намного дороже
Скорость: Одна игла делает значительно меньше грамма волокна в час; безыгольные заводские линии непрерывно покрывают ткань

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Сверхтонкие волокна с огромной площадью поверхности
Простая недорогая лабораторная установка
Огромный выбор полимеров, смесей и добавок (лекарств, частиц)
Имитирует волоконную сеть вокруг клеток тела, что помогает клеткам расти

Ограничения

Низкая производительность одиночных игл
Многие рецептуры используют токсичные или горючие растворители
Размер волокна смещается с влажностью, напряжением и расстоянием
Слабым матам обычно нужен поддерживающий слой; действуют правила безопасности при высоком напряжении

Где применяется

ФильтрацияНановолоконные слои в вентиляции зданий, воздушных фильтрах двигателей и масках
МедицинаПеревязочные материалы, каркасы для тканевой инженерии, сосудистые протезы, пластыри с замедленным выделением лекарств
ЭнергетикаСепараторы аккумуляторов, мембраны топливных элементов
ТекстильДышащие водонепроницаемые мембраны, защитная одежда
КосметикаНановолоконные маски и патчи для лица
ИсследованияДатчики, катализаторы, керамические нановолокна

Как узнать процесс

Отдельные волокна невидимы глазу; виден только мат — как невесомая белая или полупрозрачная плёнка.
Посмотрите на некоторые высокоэффективные воздушные, пылесосные или моторные фильтры: нежное покрытие на более грубой ткани, которое кажется слишком лёгким, чтобы работать.
Под электронным микроскопом паутина выглядит как спутанные спагетти, с нитями почти одинаковой толщины.
Медицинские варианты оказываются на ранах или внутри тела как повязки и каркасы, которые могут медленно рассасываться.

Сравните с

Экструзия3.3продавливает материал через фасонное отверстие фильеры; делает обычные волокна и профили, намного толще и быстрее.Волочение проволоки3.4утончает твёрдую металлическую проволоку, протягивая её через фильеры; электроспиннинг утончает жидкую струю электрическими силами.Двухфотонная полимеризация13.8размещает каждый микроэлемент точно; электроспиннинг делает беспорядочную паутину, дёшево, с малым контролем того, куда ложится каждое волокно.

Смотрите

Hosein Rostamani · Простая лабораторная экскурсия от раствора до волоконного мата

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Крупный план конуса Тейлора и струи у одного сопла

ELMARCO · Промышленные безыгольные струи, поднимающиеся с вращающегося барабана

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Обзор нановолоконных продуктов и их применения

Смотреть реальные фото

Википедия: электроспиннинг — электронная микрофотография нановолокон, схемы установок и таблица параметров
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Растягивает электрическая сила: капля, конус, хлещущая струя, сухое волокно.
Волокна толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон, а у паутины огромная площадь поверхности.
Одиночные иглы медленные; заводы используют безыгольные линии, чтобы покрывать фильтрующие ткани.