摘要：本研究旨在开发一种新型的温度和压力控制混合系统 (Cent-Hydro)，用于大规模纳米纤维生产。使用 Cent-Hydro 系统制备亲水性载体基质的纳米纤维。本研究探讨了增加工作温度对聚合物溶液表面张力和粘度的影响。通过喷射形成过程校准 Cent-Hydro
本研究旨在开发一种新型的温度和压力控制混合系统 (Cent-Hydro)，用于大规模纳米纤维生产。使用 Cent-Hydro 系统制备亲水性载体基质的纳米纤维。本研究探讨了增加工作温度对聚合物溶液表面张力和粘度的影响。通过喷射形成过程校准 Cent-Hydro 系统，并确定喷射路径的纺丝参数。由于瑞利-泰勒不稳定性，在稀薄液体前方形成了手指，而较低浓度的聚合物溶液有利于形成更细更长的手指。当表面张力、离心力和粘性力达到平衡时，获得了喷射形成的临界角速度和初速度。通过实验评估了增加转速和工作温度对手指速度和长度的影响，得出结论：工作温度的升高会增加手指速度和长度。此外，还评估了增加转速、聚合物浓度和工作温度对纳米纤维直径的影响。总体而言，Cent-Hydro 系统为大规模纳米纤维生产提出了令人信服的建议，与传统方法相比具有明显的优势，并为各种应用的进步铺平了道路。 一、简介 纳米纤维是一种令人兴奋的一维纳米材料，它促进了广泛的科学研究，并带来了多种商业应用。与同类材料相比，它们具有许多令人兴奋的特性，包括高表面积与体积比、高互连孔隙率和可调节的孔径、适应性强的表面功能以及更好的机械性能（即抗拉强度和刚度）。这些特性使纳米纤维成为生物医学应用（如药物输送和组织工程支架）、空气和过滤应用以及储能设备（如锂离子电池）的有希望的候选材料。在各种潜在应用中，纳米纤维在药物输送方面引起了极大的关注，因为它们的表面积更大，可以实现更高的药物负载能力、同时输送不同的疗法、控制输送从抗肿瘤到大分子（如 DNA 和蛋白质）的活性剂，以及通过结构调整来调节释放曲线的能力。据报道，具有上述特性的纳米纤维是通过多种方法开发的，包括拉伸工艺、模板合成相关工艺、相分离、分子自组装和静电纺丝。许多这些技术能够提供特定的纤维类型，但无法满足工业加工标准。拉伸工艺成本低廉，但材料需要不间断地发生显著变形。在模板合成过程中，可以轻松获得不同形状和直径的纤维。然而，该工艺无法扩大规模以实现高产量和连续纳米纤维制造。虽然可以通过相分离获得具有理想结构特性的纳米泡沫，但该工艺冗长而复杂。自组装可以生产非常细的纤维；然而，这种技术的生产水平非常低。为了克服这些挑战，静电纺丝 (ES) 因其设置简单、启动成本低而成为最流行和用途最广泛的方法。该技术能够生产直径在微米到纳米范围内的无机和聚合物纳米纤维。尽管 ES 工艺已被广泛用于开发聚合物纳米纤维，但仍存在一些缺点，例如纤维生产效率低、对介电常数敏感、高度依赖聚合物数量以及使用高电压。为了提高静电纺丝的纤维产量，已经采用了无喷嘴和多纺丝装置，但这些策略进一步增加了该技术的生产成本。由于各行各业对纳米纤维的需求不断增加，为了改进当前的最先进技术，研究人员一直在探索能够以可靠、稳健和经济高效的方式提供高产品产量的方法。为此，离心纺丝和溶液吹制等新兴技术已成为静电纺丝工艺的新颖可行替代方案。离心纺丝技术能够以低成本和高速度大规模生产具有明确结构的纤维。该技术基于离心力而不是静电力将射流排出纤维。因此，非导电和导电聚合物都可以以溶液或熔体的形式纺丝。离心纺丝的生产效率远高于任何实验室规模的电纺丝生产仪器。然而，由于制造的纤维无序，离心纺丝的使用受到限制。离心纺丝技术获得的纤维性能不稳定，可能不适合需要非常精确控制的行业，例如生物医学应用。此外，对纤维形态的控制不当也是扩大离心纺丝技术规模的主要限制因素。相反，溶液或熔体喷吹是一种公认的大规模纤维生产工艺。该工艺涉及在高速气流下通过狭窄的出口挤出聚合物溶液或熔体。气流速度对聚合物溶液或熔体表面的阻力使聚合物在溶剂蒸发后伸长并形成纤维。该技术在生产率方面优于ES，可以生产出十倍更多的纤维，并且具有更好的成本效益比。然而，溶液喷吹获得的纤维具有一些不可避免的缺陷，例如纤维直径较大（通常在微米范围内）、渣球较多以及纤维制造工艺的连续性差。尽管静电纺丝技术的优势已在应用聚合物纳米纤维的各个领域得到充分证实，但仍然需要大大增强生产工艺以实现最高效率。应解决的关键挑战包括：（i）扩大规模以处理大批量处理，（ii）确保所有制造阶段的精度和一致性，以及（iii）解决安全问题并尽量减少与静电纺丝相关的环境影响。改进这些方面对于充分认识静电纺丝在聚合物纳米纤维大规模生产中的潜力至关重要。例如，研究人员2015 年使用高速静电纺丝系统生产伊曲康唑的无定形固体分散体。2019 年开发了一种连续高速纳米纤维生产系统，作为冷冻干燥机的替代品，从水溶液中制造环糊精基重构粉末，用于低水溶性药物强力霉素。研究人员2020 年使用带有旋风收集器的高速静电纺丝 (HSES) 装置开发固体强力霉素 HP-β-CD 制剂。最近，研究人员采用了一种先进的基于交流电纺丝和编织技术的系统来制造复合纳米纤维纱线。从商业角度来看，有各种可用于实验室和工业规模的系统；这些包括 Elmarco Nanospider、Bioinicia Fluidnatek LE 系列、Inovenso 工业电纺丝线、NANON、SpinTech Systems、ElectrospinTech Machines 和日本福冈的 MECC Co., Ltd.-NF 系列。然而，大规模电纺丝系统面临着若干挑战，必须解决这些挑战才能充分释放其在各种应用中的潜力。关键问题包括保持可扩展性和生产率，同时确保均匀性并避免喷嘴堵塞和静电干扰等问题。材料兼容性是另一个挑战，因为必须针对不同的聚合物和复合材料调整工艺参数。此外，精确的过程控制和自动化对于实现大规模的可重复性至关重要，而安全和环境问题（例如管理高压和溶剂排放）则需要谨慎管理。最后，实现大规模生产的经济高效解决方案仍然是广泛商业应用的障碍。这些挑战是正在进行的研究的重点，旨在为生物医学材料、过滤和纺织品等行业实现可扩展的纳米纤维生产。
东莞市富临塑胶原料有限公司 是 Bioinicia Fluidnatek 在中国的合作伙伴，富临塑胶为中国客户提供“服务”和“Fluidnatek静电纺丝设备”供应。为了克服这些挑战，研究人员报道了一种加压回转工艺，该工艺结合了溶液吹制和离心纺丝来生产聚合物纳米纤维。在这个典型的过程中，气流入口与旋转容器相关，以通过气体吹制增强聚合物射流拉伸。该技术解决了与离心纺丝和溶液吹制相关的问题，通过大规模开发细纤维，产量为 6 kg/h。除了压力之外，文献还报道了工作温度对纳米纤维生产产量和质量的影响，它可以单独使用，也可以与压力结合使用，代表了一种有前途的纳米纤维生产方法。背后的假设是，工作温度的升高会降低纺丝液的表面张力和粘度，最终导致纤维直径减小，有利于形成直径细小的光滑纤维。因此，当前的研究旨在开发一种新系统（Cent-Hydro），该系统与温度和压力调节系统同步，以促进生产出具有更高生产率的细纳米纤维。聚环氧乙烷因其多功能性和在纳米纤维生产中的广泛使用而被用作模型聚合物材料。二、材料与方法本研究采用聚环氧乙烷 (PEO)，分子量为 200,000 g mol^(−1)，购自英国拉夫堡的 Fisher Scientific 公司。使用去离子水作为溶剂。2.1. 聚合物溶液的制备在连续搅拌下，将聚合物缓慢加入去离子水中，制备不同浓度 (10%、15%、20% 和 25% w/v) 的聚合物溶液，并在室温 (25 ℃) 下将溶液在密封的玻璃瓶中搅拌约 24 小时，以确保混合均匀。2.2. 表面张力的测定采用悬滴法在不同工作温度 (25–60 ℃) 下测定 PEO 溶液 (10%、15%、20% 和 25%) 的表面张力。Ossila 接触角测角仪用于捕获悬滴图像的数据，这些数据进一步用于悬滴拟合以确定表面张力测量值，即方程 (1)，如图 1 所示。所有实验均重复进行三次（n = 3）。其中
图 1. ds/de 方法测定聚合物粘性溶液表面张力的示意图。𝛾 = 表面张力∆𝜌 = 密度差g = 重力加速度1/H = 由 Ds/De 确定的相关因子2.3. 聚合物溶液的流变学研究所有流变学测量均使用 Bohlin Gemini Nano HR 流变仪进行，该流变仪配备 55 毫米锥板几何结构。测量是在不同的温度下（25 ℃、40 ℃、50 ℃ 和 60 ℃）进行的，剪切速率范围从 0.1 s^(−1) 到 1000 s^(−1)。该装置允许详细分析聚合物溶液在不同热和剪切条件下的流动行为和粘度变化。2.4. 仪器和实验 Cent-Hydro 系统我们实验室开发的定制 Cent-Hydro 系统的仪器如图 2a 所示。它包括一个直径为 5.5 厘米、长度为 4 厘米的旋转铝纺丝容器，表面装有 22 个喷丝孔，每个喷丝孔的直径为 0.5 毫米。纺丝容器直接连接到直流电机和温度控制系统。直接控制电机用于旋转容器，而变速电机用于将旋转设置为每分钟不同的分辨率。温度控制系统与加热元件相连，能够调节容器温度，从环境温度到 300 ℃。此外，还安装了一个温度调节玻璃注射器（图 2b），能够控制温度，从环境温度到 150 ℃。两种温度控制系统均使用红外温度传感系统进行测试和验证，精度为 ±1 ℃。聚合物溶液通过连接到 25 毫升注射器的注射泵以恒定速率送入纺丝容器。固定收集网用作收集器，位于收集器周围，方便收集纳米纤维。在纺丝过程中，将 20 毫升不同浓度的 PEO 溶液以不同的纺丝速度（范围从 5000 到 60,000 rpm）和温度（范围从 25 到 60 ℃）同时送入容器，同时保持 0.3 MPa 的恒定工作压力。在整个纺丝过程中，纺丝容器和收集器壁之间的距离保持恒定在 15 厘米。一旦纳米纤维被收集到网格周围，它们就会被小心地取出并存放在密封容器中，该容器放在干燥器上，直到进一步使用。
图 2. 示意图，显示 (a) Cent-Hydro 系统的仪器设置和 (b) Cent-Hydro 系统中使用的温度调节玻璃注射器的横截面图。2.5. 纳米纤维的表征使用溅射镀膜机对在不同转速、聚合物含量和工作温度下开发的纳米纤维进行镀金，以增强成像的导电性。使用扫描电子显微镜（SEM），特别是 Jeol JSM-6060CV 型号进行表面形态分析。对于直径尺寸分析，使用 Keyence VHX 数字显微镜系统结合 ImageJ 软件（版本 1.47i）检查所有纳米纤维。对于每个 PEO 纳米纤维样品，进行 100 次随机分配的测量，以确保准确且具有代表性的直径数据。该方法提供了对纳米纤维结构特征和尺寸分布的全面了解。2.6. 统计分析使用置信限为 p 三、结果与讨论3.1. PEO 工作溶液的表面张力和粘度图 3 描绘了不同工作温度下聚合物溶液的表面张力与其浓度的关系。可以观察到，随着溶液中聚合物浓度的增加，聚合物溶液的表面张力也增加。然而，有趣的是，随着工作温度从 25 ℃ 升高到 60 ℃，表面张力会降低。图 4a 进一步阐明了这一现象，很明显，随着聚合物含量的增加，液滴内聚合物链的缠结逐渐加剧。因此，这种增加的缠结有助于表面张力的整体增加。相反，图 4b 展示了工作温度升高对液滴表面的影响，导致表面张力降低。这种现象可以归因于链间松弛，这在链之间创造了更多的空间，从而增强了它们在溶液中的流动性。因此，这种增加的流动性导致表面张力降低。
图 3. 不同工作温度下聚合物溶液的表面张力与其浓度的关系。
图 4. 示意图，描绘了 (a) PEO 浓度 (b) 温度对工作溶液表面张力的影响。图 5 显示了溶液粘度、聚合物浓度和工作温度之间的关系。PEO 溶液的流变曲线表明，随着工作温度从 25 ℃ 升高到 60 ℃，溶液的粘度降低。这可以从图 6 中观察到；正如预期的那样，在零剪切速率下，环境温度（25 ℃）的溶液比温度较高的溶液具有更高的粘度，这是因为溶液中的聚合物链松弛更多，导致 PEO 溶液的粘度较低。PEO 是一种水溶性聚合物，以其独特的流变性能而闻名，尤其是其剪切稀化行为。剪切稀化或假塑性是指材料粘度随剪切速率增加而降低的现象。在当前情况下，随着剪切应力的施加，聚合物链（它们通常会缠结在一起并在静止时形成高粘度溶液）开始沿流动方向排列，这种排列开始降低流动阻力，导致粘度下降。但是在低剪切速率下，由于长聚合物链缠结，PEO 会表现出更粘稠、更有弹性的行为。但是，随着剪切速率的增加，这些链会解开并根据流动方向调整，从而降低阻力。这种行为是可逆的；当剪切力消失后，聚合物链会回到原来的缠结状态，粘度再次增加。在 Cent-Hydro 系统中，这种行为至关重要，因为像 PEO 这样的聚合物的剪切稀化行为会减轻纳米纤维生产过程中的瑞利-泰勒不稳定性，促进形成均匀连续的纤维。通过降低高剪切条件下的粘度并抑制不稳定性的增长，剪切稀化可改善溶液在离心力阻力下的吹塑稳定性、纤维直径控制和整体纤维形态，这对于获得高质量的纳米纤维至关重要。
图 5. 不同浓度 PEO 溶液的流变曲线（a）10、（b）15、（c）20 和（d）25% w/v。
图 6. 不同浓度 PEO 溶液在不同工作温度（25 ℃、40 ℃、50 ℃ 和 60 ℃）下在零剪切速率下的粘度，（a）所有 PEO 溶液和（b）（a）突出显示区域的粘度曲线，用于可视化目的。3.2. Cent-Hydro 的校准：液体运动研究在纺丝过程中，聚合物溶液被小心地释放到盖子上，然后开始迅速扩散到旋转盘的表面上。最初，液体形成一层薄膜，在水平面上看起来几乎完全平坦。然而，在液体和圆盘的接触线上，开始出现一个微妙的脊状突起。这个脊状突起标志着这个过程中的一个关键点，瑞利-泰勒不稳定性开始发挥作用。这种不稳定性引发了级联效应，导致曾经稳定的脊状突起变得不稳定，分裂成一系列不同的指状突起，如图 7 中清晰地显示的那样。随着这种转变的展开，薄膜的厚度随着与旋转中心距离的增加而逐渐减小。因此，施加在脊状突起上的表面张力也会相应增大。
图 7. 20% w/w PEO 水溶液在 Cent-Hydro 系统（离心旋转）上随时间的变化，系统在 0.3 bar（压力）和 55,000 rpm 电机转速下运行，(a) 2 s (b) 4 s 和 (c) 5 s。同时，在液膜和圆盘的接触点处，出现了复杂的波浪，这是由表面张力和离心力的相互作用驱动的。这种动态相互作用进一步加剧了脊的不稳定性，加速了其分裂成不同的手指。值得注意的是，当受到高离心力时，直手指的形成变得更加明显，这表明外力取代液膜固有表面张力的临界点。因此，很明显，外力和膜厚度在决定此过程中所得手指的形态方面至关重要，强调了它们在塑造纺丝过程结果方面的关键作用。手指的特性（形状、速度和数量）直接受喷射路径的影响。手指特性直接受溶液浓度和转速的影响。这里，手指长度用时间（t）的函数表示，定义为其中 𝑉𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 是手指的速度，𝑉𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 是薄膜速度，t0 是手指出现的初始时间，图 8a-d。这里，假设手指速度和薄膜速度在短时间内保持不变。为了测量单位时间内薄膜的手指长度和速度，𝑉𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 和 𝑉𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 被视为平均速度。因此，手指长度简化为 𝐿=(𝑉𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎−𝑉𝑀𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎)×𝛥𝑡，如图 9a-d 所示，其中转速的增加会导致聚合物喷射速度单调上升，从而导致手指长度更快地伸长，而降低聚合物溶液的浓度有利于形成更长更细的手指（10% 和 15% w/v 溶液）。在高浓度溶液（20% 和 25% w/v）下观察到的手指速度和手指长度逐渐增加，这是由于大分子链的强烈缠结，阻碍了聚合物射流的发展。因此，溶液浓度对控制手指速度和长度的转速有相反的影响。溶液的聚合物浓度较低和转速较高通常有利于获得更长更细的手指。
图 8. 不同浓度 (10–25% w/v) PEO 溶液在不同电机转速 (10,000–60,000 rpm) 和温度 (a) 25 ℃、(b) 40 ℃、(c) 50 ℃ 和 (d) 60 ℃ 下的手指速度 (Vmax，最大速度)。
图 9. 不同浓度 (10–25% w/v) PEO 溶液在不同电机转速 (10,000–60,000 rpm) 和温度 (a) 25 ℃、(b) 40 ℃、(c) 50 ℃ 和 (d) 60 ℃ 下的手指长度 (L，∆t = 1 s)。评估了工作温度和转速升高对手指速度和手指长度的影响。当旋转容器的温度保持在40℃ 时（图8b和图9b），由于溶液的高粘度，手指速度和手指长度逐渐增加，而当旋转容器的温度在不同转速下升高到50℃ 时，手指速度显著增加，手指长度也变长（图8c和图9c）。在相同条件下，温度进一步升高（60℃）后，手指速度和手指长度也出现了类似且更明显的变化（图8d和图9d）。支持这项研究的基本解释是，温度升高使聚合物链运动更加自由，从而降低了溶液的粘度。此外，在纺丝过程中会施加离心力，这会导致聚合物射流的拉伸。拉伸现象与表面张力和粘性力相反（导致产生新的表面积）。因此，高温下溶液粘度较低将产生更高的拉伸速率和更长的聚合物射流。在纺丝过程中，当转速保持较低时，由于毛细力 Fγ、离心力 FC 和粘性力 Fµ 之间的平衡，液滴不会从孔口流出。因此，聚合物射流必须达到临界角速度才能将其喷向螺旋路径。研究人员描述了液滴上毛细力和离心力之间的平衡，以达到临界角速度。在离心纺丝过程中，当聚合物溶液从开口侧离开盖子时，会形成凸起，如图 10a 所示。相应地，建立了离心力 𝐹𝑐=𝜌𝑉𝑟𝑂 Ω²、表面张力 𝐹𝛾=𝛾ℎ𝑙/𝑟* 和粘性力 𝐹𝜇=𝜇𝛥𝑃ℎ2 𝑙/2𝑟𝑂 的平衡。平衡方程可表示为方程 (2)；
图 10. 聚合物工作溶液通过盖子的开口 (a) 旋转的盖子 (b) 示意图描绘了在离心力影响下的溶液行为。这里，𝜇 是粘度系数，𝑟𝑂 是盖子的半径，𝛥𝑃 是 𝑟𝑂 上的压力差，𝑙 是开口的长度和高度，𝑉 和 𝑟* 是凸起的体积和半径的曲率，如图 10b 所示。因此，描述液体挤出的离心喷丝头的临界角速度可以转录为方程 (3)。随着聚合物溶液在旋转盘上向前移动，随着转速的增加，获得了聚合物溶液的完整薄膜。如图 11a 所示，在三相界面的接触线上形成了脊。向内的弯曲脊产生了压力差 ∆𝑃=𝛾/𝑟*，阻碍了薄膜的形成。当力作用于聚合物薄膜的脊部时（图 11b 和图 12），该方程可表示为公式 (4)。其中最小值半径为 𝑟𝑀𝑖𝑛，S 为轮廓中的脊部面积，𝐹𝜇=0.5𝜌𝑟𝑀𝑖𝑛𝛺²𝛿² 为粘性力，𝐹𝑐=𝜌𝑆𝑟𝑀𝑖𝑛𝛺² 为离心力。因此，聚合物薄膜临界角速度可表示为公式 (5)。
图 11. 图像显示三相（空气、液体和固体 (a) 液膜 (b) 手指）界面处脊的形成。
图 12. 描述脊上阻力的示意图。因此，手指尖端的力如图 11 所示，可表示为公式 (6)：其中半径的最大值表示为 𝑟𝑀𝑎𝑥，手指宽度为 𝑤𝑓，𝑉𝑑𝑝 为液滴体积。进一步描述手指形成的临界角速度用公式 (7) 表示。根据这些发现，对喷丝头施加了三个临界角速度以形成射流。第一个是临界转速，形成液膜。第二个和第三个是推动聚合物膜和手指向前的临界速度。3.3. 纳米纤维的生产和特性在本研究中，通过采用一系列温度（25-60 ℃）和电机速度（10,000-60,000 rpm）设置，制造了具有不同浓度 PEO 的纳米纤维。随后，利用扫描电子显微镜 (SEM) 分析这些纳米纤维的直径和形态。在后续部分中，对结果进行了彻底检查，深入研究了聚合物 (PEO) 含量、温度变化和电机速度等各种因素对制造的纳米纤维的平均直径、尺寸分布和形态的影响。3.3.1. 电机速度的影响PEO 纳米纤维是在 10,000 至 60,000 rpm 的不同电机速度下制造的。然而，某些参数如温度（60 ℃）、工作压力（0.3 MPa）和 PEO 浓度（20% w/v）保持不变，以专门研究电机转速对纤维性能的影响。电机转速影响的根本机制可归因于 Cent-Hydro 操作期间产生的离心力。足够的离心力对于克服聚合物溶液的表面张力至关重要，以确保有效生产纤维，图 13。转速的增加会放大表面张力，有利于从容器孔口排出的聚合物射流更大程度地延伸和变薄。因此，这可以生产出直径更细的纤维。低倍和高倍 SEM 图像（图 14）和平均纤维直径测量值（图 15）显示，随着电机转速的增加，纤维形态发生了质的变化，从粗糙不平变为更光滑的表面。平均纤维直径从 10,000 rpm 时的 63 nm 减小到 40,000 rpm 时的 440 nm，这归因于聚合物射流的拉伸和变薄程度增加，这加速了由于表面积增加而导致的溶剂蒸发。统计分析表明，除了在 50,000 rpm 和 60,000 rpm 下生产的纤维之间的比较外，随着转速的增加，纳米纤维尺寸存在显着差异（95% 置信区间内 p 
图 13. 示意图显示离心力对 Cent-Hydro 开发的纳米纤维直径的影响。
图 14. Cent-Hydro 系统在不同电机速度下开发的 PEO 纳米纤维的 SEM 图像；10,000 rpm (a) 低倍放大，(b) 高倍放大，20,000 rpm (c) 低倍放大，(d) 高倍放大，30,000 rpm (e) 低倍放大，(f) 高倍放大，40,000 rpm (g) 低倍放大，(h) 高倍放大，50,000 rpm (i) 低倍放大，(j) 高倍放大和 60,000 rpm (k) 低倍放大，(l) 高倍放大。比例尺 (a、c、e、g、i、k) = 50 µm 和 (b、d、f、h、j、l) = 5 µm。
图 15. Cent-Hydro 在不同电机转速下形成的纤维直径分布 (a) 10,000、(b) 20,000、(c) 30,000、(d) 40,000、(e) 50,000 和 (f) 60,000 rpm。
图 16. Cent-Hydro 的纳米纤维直径和产量与电机转速的关系。在本研究中，最佳电机转速确定为 50,000 rpm，超过此转速，由于临界转速限制，纳米纤维的生产将停止，导致纤维断开和珠粒形成。3.3.2. PEO 浓度的影响制备了不同聚合物浓度（10%、15%、20% 和 25% w/v）的纳米纤维。然而，工作压力（0.3 MPa）和温度（60 ℃）保持不变，以评估它们对纳米纤维直径和产量的影响。浓度为 10% 至 15% 的聚合物溶液有利于纳米纤维的制备，但所得纤维缺乏连续性。这一发现证实了早期的研究，表明需要最佳聚合物浓度才能实现足够的聚合物链缠结，从而实现连续纤维生产。低倍和高倍放大的 SEM 图像（图 17）清楚地表明，增加聚合物浓度会产生更光滑、更均匀和圆柱形的纤维。纤维形态受聚合物链缠结和分子量的显著影响。因此，由 20% w/v 溶液组成的纳米纤维表现出最佳形态，看起来相对光滑且无缺陷。PEO 纳米纤维的平均纤维直径分别为 129.6 nm、147.4 nm、178.2 nm 和 187.5 nm，分别对应于 PEO 浓度 10%、15%、20% 和 25%，图 18。较大的平均直径与聚合物溶液粘度呈正相关，表明较高的聚合物浓度产生的纤维直径较大，产量也较高（95% 置信区间 p 
图 17. 从具有不同 PEO 浓度的不同工作溶液中形成的 PEO 纳米纤维的 SEM 图像；10% w/v (a) 低倍放大，(b) 高倍放大，15% w/v (c) 低倍放大，(d) 高倍放大，20% w/v (e) 低倍放大，(f) 高倍放大和 25% w/v (g) 低倍放大，(h) 高倍放大。比例尺 (a、c、e、g) = 50 µm 和 (b、d、f、h) = 5 µm。
图 18. 工作溶液中不同 PEO 浓度下形成的纤维直径分布 (a) 10、(b) 15、(c) 20 和 (d) 25% w/v。
图 19. 工作溶液中 PEO 浓度与纳米纤维直径和产量的关系。与电机速度的影响相比，纳米纤维的尺寸分布略宽，这可能是由于聚合物溶液的粘度较高，通常表现出较长的应力松弛时间。这一特性阻碍了溶剂蒸发，并阻止了喷射伸长、变薄和断裂。考虑到 Cent-Hydro 系统和由此产生的纳米纤维形态，本研究中的最佳 PEO 浓度确定为 20% w/v。3.3.3. 温度的影响使用 Cent-Hydro 系统在一系列受控温度条件（25 ℃、40 ℃、50 ℃ 和 60 ℃）内精确制造聚环氧乙烷 (PEO) 纳米纤维。为了全面研究温度的影响，所有其他操作参数——即工作压力（0.3 MPa）、电机转速（50,000 rpm）和 PEO 浓度（20% w/v）——都一丝不苟地保持恒定。图 20 清楚地说明了工作温度、纳米纤维直径和生产率之间相互关系的复杂机制。此外，图 21 所示的低倍和高倍扫描电子显微镜 (SEM) 图像直观地显示了在 25–60 ℃ 的工作温度范围内生产的纳米纤维。结果表明，趋势明显：随着工作温度的升高，平均纤维直径持续下降。图 22 显示了制备的纳米纤维的直径分布，测量值分别为 530 ± 80 nm、350 ± 70 nm 和 280 ± 50 nm。
图 20. 示意图显示了 Cent-Hydro 的工作温度对由 Cent-Hydro 开发的纳米纤维直径的影响。
图 21. 在 Cent-hydro 系统的不同工作温度下开发的 PEO 纳米纤维的 SEM 图像；25 ℃ (a) 低倍放大，(b) 高倍放大，40 ℃ (c) 低倍放大，(d) 高倍放大，50 ℃ (e) 低倍放大，(f) 高倍放大和 60 ℃ (g) 低倍放大，(h) 高倍放大。比例尺 (a、c、e、g) = 50 µm 和 (b、d、f、h) = 5 µm。
图 22. Cent-hydro 系统在不同工作温度下形成的纤维直径分布；(a) 25 ℃，(b) 40 ℃，(c) 50 ℃ 和 (d) 60 ℃。有趣的是，统计分析表明，在 50 ℃ 和 60 ℃ 下记录的纤维直径之间没有显著差异，两者都产生了平均直径约为 260 nm 的纳米纤维。这一发现表明，进一步升高温度不会显著影响纳米纤维的发展，从而强化了工作温度和平均纤维直径之间的反比关系。具体而言，较高的工作温度与纳米纤维直径的减小有关。这些差异具有统计学意义，p 值 
图 23. Cent-Hydro 系统工作温度下的纳米纤维直径和生产产量。在较高温度下观察到的更细纳米纤维直径和更高生产产量的趋势可以通过对聚合物溶液的几种热诱导效应来解释。升高温度可降低溶液的粘度，使聚合物链更具流动性，更容易拉伸成更细的纤维。此外，表面张力降低，使聚合物射流更平稳地伸长，从而形成更小、无缺陷的纤维。升高温度还会加速溶剂蒸发，浓缩聚合物并增强链缠结，从而稳定纳米纤维结构并防止断裂。这些综合效应——降低粘度、降低表面张力、加快溶剂蒸发和增强聚合物缠结——优化了纤维形成过程，从而产生了直径更小、形态特征更佳、产量更高的纳米纤维，使温度成为纳米纤维生产的关键因素。总之，本研究的结果表明，提高工作温度不会妨碍 Cent-Hydro 系统内 PEO 溶液的可纺性。此外，更高的温度促进了纳米纤维的生产，其表面形态更光滑，表面凹痕更少。这些见解有助于更好地理解操作温度和纳米纤维制造之间的关系，为优化用于各种应用的纳米纤维生产奠定基础。3.4. 与其他已发表技术的比较将开发的纳米纤维的生产产量和直径与其他已发表的技术进行了比较（表 1）。很明显，Cent-Hydro 的生产率高于所有技术，平均直径为 95 ± 30，与离心纺丝、电纺丝和加压回转技术相当。从这些结果来看，Cent-Hydro 有潜力开发出具有高度多功能性的纳米纤维。鉴于这些有希望的结果，预计 Cent-Hydro 系统具有开发适用于广泛应用的纳米纤维的多功能性。随着研究的进展，该系统有望在推进纳米纤维制造工艺方面发挥关键作用，未来可能广泛应用于各个工业领域，包括药物输送、过滤、生物医学设备、组织工程和储能。Cent-Hydro 系统结合了高生产率和精确的纤维控制，使其成为大规模纳米纤维制造的有前途的技术。
表 1. Cent-Hydro 系统与其他各种纳米纤维制造技术的比较。 四、结论 使用混合 Cent-Hydro 系统成功开发了聚合物纳米纤维。工作温度的升高导致聚合物溶液的粘度和表面张力降低。通过 Cent-Hydro 系统的校准，观察到由于瑞利-泰勒不稳定性，聚合物溶液以细手指的形式在旋转盘上扩散。值得注意的是，当在高转速下添加较低的聚合物溶液时，系统会产生更细更长的手指。转速和工作温度的提高显著提高了手指速度和手指长度。此外，这些增强导致纤维直径减小和生产率提高。有趣的是，聚合物含量增加超过 20% 并没有导致纤维形态有任何显著差异。从这种创新系统生产的纳米纤维表现出光滑的形态特征。该系统有助于大规模制造排列良好的纳米纤维，提供可变的转速和工作温度设置。此外，功能比较分析凸显了 Cent-Hydro 系统的潜力。预计未来该系统将在各种工业应用中得到广泛应用。
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来源：小王看科技
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