一、研究背景

电纺丝（ES）制造最早出现于 1897 年，随后获得了一系列纺织品应用专利。1969 年，泰勒（Taylor）发表的一篇文章促成了将电纺丝制造技术用于许多应用领域的研究，这些应用旨在制造具有微米到纳米级特征的聚合物材料，这些材料显示出很高的表面-面积-体积比。此后，ES 被用于制造燃料电池、发电机和光催化表面。此外，ES 还可用于防止过氧化物太阳能电池层的降解，以及通过光刻技术绘制纳米级偏振片图案。电纺材料的生物医学应用包括酶固定、传感器、组织工程、伤口愈合和药物输送。ES 纤维材料还被用于制造纳米材料，其应用范围从能源转换到医药，并表现出理想的材料特性，如高强度或高模量。

从基础化学和材料合成到工业应用，ES 材料的应用范围非常广泛。ES 的应用范围之广，导致了 ES 设备的迭代，以适应专用材料的制造。例如，熔融 ES 使用户可以在加工过程中避免使用溶剂。其他迭代涉及改变沉积表面，以产生有利于增强电荷传输、产生偏振光发射、改善吸收和光伏特性以及有利于光电子学等其他应用的晶体特性的对齐结构。对齐还与生物医学工业有关，可为定向细胞生长和引导细胞分化提供支架。聚合物纤维的对准可通过使用旋转集电鼓平行间隙电极或反电极来实现。为聚合物沉积提供静电力的电场也可用于引导纤维沉积和材料光斑尺寸。电场操纵的被动方法包括使用铜环作为透镜元件来抑制杂乱运动，以及使用孔板来减小纤维毡点尺寸。研究人员还实现了 ES 系统的微型化，并增加了配置修改，使 ES 系统可以手持并沉积在任何表面上，而不受电荷的影响。

在这项工作中，我们介绍了一种 ES 制造迭代技术，通过使用多个高压电源（每个电源都与单独的电极相连，并由波形发生器控制）来精确控制电纺纤维的沉积。在 LabVIEW 中生成具有适当相位滞后的正弦控制（输入）信号，以控制纤维在两个维度上的沉积，从而形成编织聚合物织物和复杂形状。编织聚合物织物除了能实现长期药物释放和组织模拟外，还具有强度、尺寸、柔韧性、多孔性、伸长率和多方向破坏强度等优点。编织电纺材料的生产是通过使用新颖的沉积表面进行的，如编织机或带有导电齿的旋转收集器。在这项工作中，我们展示了使用多个独立控制的高压电源的多重 ES，以精确控制的方式在平坦、非复杂的表面上制造编织聚合物织物，而不是在复杂、移动的表面上随机附着和沉积。我们的新工艺可以在平整的沉积表面上对物体或材料进行涂层，而织布机或导电锥沉积基底则无法做到这一点。此外，还利用时变正弦波输入展示了电纺丝环形状的沉积，而其他高度可控的 ES 系统尚未展示过这种形状。通过参数分析，可以实现可预测的环形尺寸。除其他复杂形态外，环形沉积的演示为多重 ES 系统实现高度可控结构提供了范例。复杂聚合物形态的沉积扩展了这种多功能、经济可行的制造方法的适用性，可用于生产柔性材料，这些材料可以包覆骨骼、包裹尖角或塑造成滑入非线性缝隙的形状，从而实现新型功能材料。对于多路复用 ES，还可以通过减少电阻抗来降低决定高压高频截止的时间常数。添加到高压电路中的并联电阻降低了电路阻抗，从而降低了时间常数，进一步证明了多路复用 ES 能够提供高水平的光纤沉积控制。

二、摘要

电纺丝（ES）的应用范围很广，从制造生物医学设备和组织再生支架，到光操纵和能量转换，甚至到沉积作为纳米级催化生长平台的材料。影响 ES 广泛应用的一个主要限制因素是聚合物流在接近沉积表面时的混乱运动所导致的随机纤维沉积。过去，通过改变电极形状、使用多维电极或插针、在织布机上沉积、允许用户引导沉积的手持式电纺丝设备或通过透镜元件或孔径操纵电场，可以制造出具有精确定位的中尺度形态的结构或材料。在这项工作中，我们展示了一个 ES 系统，该系统包含多个高压电源，可通过 LabVIEW 中实施的控制算法进行独立控制。最终结果就是我们所说的 “多路复用 ES”，即 ES 光纤将多个独立控制的高压信号组合在一起，从而实现独特的沉积控制。COMSOL Multiphysics® 软件用于模拟这种新型 ES 系统中产生的电场。

利用多电源系统，我们演示了无需复杂沉积表面的编织纤维材料的制造。时变正弦波输入用于制造电纺环形。通过参数分析发现，环状体的外径对沉积过程中使用的频率并不敏感，而内径则与频率成反比，导致环状体的整体宽度随频率增加而增加。Multiplex ES 具有基于高压电路时间响应的高频截止。通过测量这些时间常数，并通过添加并联电阻器将其最小化，从而降低了系统阻抗，并将高频截止率提高了 63%。

三、结论

在 ES 过程中对纤维沉积的精确控制可实现新颖的设备设计，并促进所生产聚合物材料的新应用和功能。在这项工作中，我们制造了一个包含四个常规电极的 ES 系统，每个电极由一个独立电源控制，我们称之为多路 ES。正弦控制信号经高压电源放大后，可根据电极电压改变静电场强度，使用户能够精确控制纤维沉积和中尺度结构。利用多路复用 ES 系统中电极的几何形状和分离距离，我们能够确定作用在光纤上的静电力的解析模型，设备配置、材料特性和外加电压对确定静电力非常重要。我们还使用 COMSOL Multiphysics® 软件作为可视化工具来显示由多路复用 ES 系统控制的静电场，结果表明，当向特定电极提供高压输入时，模型中相应的电极电压与预测值相符。

在多重 ES 过程中，纤维沉积的随机性较小，因此能够产生编织纤维毡。使用正弦输入将高压信号从一个电极移动到另一个电极，产生了编织聚合物织物。在另一次演示中，在不改变电极的情况下，电压输入以环形模式从一个电极移动到另一个电极，产生了环状结构。通过参数分析发现，环形结构的外径对沉积过程中使用的频率并不敏感，而内径则与频率成反比，因此环形结构的总厚度随频率增加而增加。

与用于引导光纤沉积的输入信号相比，多路复用 ES 系统的响应时间略有滞后。这种滞后是由于高压电源耗散电荷的能力造成的。由于系统的响应速度是控制纳米纤维沉积位置的基础，因此研究人员使用与高压电源和地线并联的电阻器来尽量减小电子时间响应。当使用 10 到 100 MΩ 的电阻时，所有情况下的下降时间常数都减少了约 63%。然而，当电阻为 120 MΩ 时，下降时间常数开始增加，由于高压电源的额定电流，时间常数只减少了 51%。 假设系统的最小电阻值在 100 和 120 兆欧之间，因此 120 兆欧电阻器不再能改善下降时间常数响应。

多重 ES 已被证明并用于制造基于纤维的编织毡，通过对高压电源、相应电极的独立同步控制以及响应时间的改进，实现了对纤维沉积和材料形态的高度控制。

图1.图示多重 ES 系统。多重 ES 系统包含四个电极（A-D）和一个喷丝板，每个电极都与独立控制的电源相连。系统的每个电压输入都由一个 National Instruments DAQ 控制，并由 LabVIEW 实现的算法控制。对每个电极的独立控制可实现复杂结构的沉积

 

图2.A 多通道 ES 系统的电极设置图，显示所使用的对称间隔电极。B 结合 A 部分所示的电极形状以及针头与沉积表面的分离距离

图3.COMSOL Multiphysics® 模型显示多重 ES 系统内的静电场强度。A 生成的模型显示了彼此等距放置的四个电极。如图所示，在获取模型期间，高压信号被输入到电极 C。B 生成的模型显示了 A 处的电极与 ES 喷丝板的关系。所有电极都与多重 ES 系统中的喷丝板等距放置。

图4.图示编织纤维毡的多重 ES 过程中的纤维沉积情况。在沉积过程中，纤维沿着电压最高（静电力最强）的电极沉积。在实例 2、4 和 6 中，聚合物射流在编织毡中心的外部跳动，以避免破坏编织材料，从而实现真正的纤维编织。B 具有代表性的 SEM 显微照片，准确展示了沉积的编织图案。C 数字光学显微镜图像显示了 ES 编织毡的整体三维结构

图5.A-C 使用多重 ES 制造的电纺纤维环图像。从系统中取出电纺环状纤维并将其置于灯箱中，然后用 ImageJ 对图像进行阈值处理。D-F 在 ImageJ 中应用阈值后显示 Tori 纤维毡的相应图像（从上到下）。Tori 和图像均以一式三份的形式采集，这些图像的尺寸可用于从数学角度理解使用特定 ES 参数时产生的纤维垫