电纺膜表面电势模型及在线测量用于控制纤维直径和孔径

　　Polymer：电纺膜表面电势模型及在线测量用于控制纤维直径和孔径
　　DOI:10.1016/j.polymer.2020.122576 静电纺丝是一项广泛应用的技术，可用于制备适用于多种应用的纳米纤维材料，其中一些应用是工业规模的。结果表明，在线测量位于纳米纤维膜上的表面电势可提供关于正在进行的过程和局部纤维形态的有效信息。提出了一个用来描述静电纺丝过程中V的演化动力学及其在生产停止后衰减的模型。对于聚乳酸纳米纤维，无论测试的处理条件如何，表面电势均取决于纤维直径和纤维间孔径。提出了一种标度律，表明纤维直径随时间、表面电势的初始行为特征以及稳态下测得的斜率而变化。与电流测量技术相结合，这是一种在线监测静电纺丝过程的有效而强大的方法。此外，该方法还提供了关于存储在纤维材料中的残余电荷的信息，这对于通过静电纺丝原位充电构造过滤应用的驻极体来说是一项重要的特征。
　　图1.实验装置的示意图，可以测量膜表面电势（探针1）和膜底部的电势（探针2）。
　　图2.在PLA-S2条件下的静电纺丝。a）在300s的静电纺丝过程中以及停止静电纺丝之后，膜（探针1）和收集器（探针2）上的表面电势的演变。在PLA-S2条件下，在b）5s、c）30s和300s之后获得的SEM图片。
　　图3.静电纺丝过程中的电荷积累。纤维形成互连的电路，并且孔可以通过电阻-电容RpCp电路建模。
　　图4.膜表面电势的理论演变与时间、曲线的特征参数之间的函数关系。
　　图5.a）电流（红色三角形）和纤维直径（蓝色圆形）随所施加电压的变化。b）特征时间（红色三角形）和斜率（蓝色圆形）随施加电压的变化。c）在不同的施加电压（PLA-S5、S6、S2和S7条件，比例尺=10 µm）下制备的PLA纤维的SEM图片。
　　图6.a）电流（红色三角形）和纤维直径（蓝色圆形）随聚合物浓度的变化。b）特征时间（红色三角形）和斜率（蓝色圆形）随溶液中聚合物浓度的变化。c）由不同浓度聚合物溶液（PLA-S1、S2、S3和S4条件，比例尺=10 µm）制备的PLA纤维的SEM图像。
　　图7.a）电流（红色三角形）和纤维直径（蓝色圆形）随相对湿度的变化。b）特征时间（红色三角形）和斜率（蓝色圆形）随相对湿度的变化。c）在各种环境相对湿度（PLA-S8、S2、S9和S10条件，比例尺=10 µm）下制备的PLA纤维的SEM图像。
　　图8.在PLA-S2条件下停止静电纺丝后的表面电势衰减（参见表1）。实验数据（灰色线），仅具有两个特征时间的模型（蓝色短虚线），具有两个特征时间和一个渐近线的模型（绿色虚线），仅具有三个特征时间的模型（虚线红线）。
　　图9.a）短时间（蓝色圆形）和中等时间（红色三角形），以及b）归一化权重因子（As：蓝色圆形，Am：红色三角形，V∞：绿色正方形）随发射极上施加电压的变化。
　　图10.a）短时间（蓝色圆形）和中等时间（红色三角形），以及b）归一化权重因子（As：蓝色圆形，Am：红色三角形，V∞：绿色正方形）随聚合物浓度的变化。
　　图11.a）短时间（蓝色圆形）和中等时间（红色三角形），以及b）归一化权重因子（As：蓝色圆形，Am：红色三角形，V∞：绿色正方形）随相对湿度的变化。
　　图12.a）Cp与纤维直径之间的相关性。b）纤维直径和时间之间的相关性。绿色三角形对应于由聚合物浓度C=7％、9％、11％和13％获得的实验点，蓝色正方形对应于由相对湿度RH=28％、38％、48％和58％获得的实验点，红色圆形对应于由施加电压=15 kV、20 kV、25 kV和30 kV获得的实验点。
　　图13.在溶液中添加盐对在Plasalt-S2条件下静电纺丝获得的表面电势稳定性的影响（请参见表1）。a）表面电势的演变。b）含TEBAC盐的PLA纤维的SEM图片。两个环突出显示在其表面上没有盐颗粒的纤维域。
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