고압 정전기 방사는 나노섬유를 효율적으로 제조하는 기술로서 공정이 간단하고 섬유의 직경을 제어할 수 있다 (50nm-10μm) 및 재료의 적응성이 넓다는 등 우세로 생물의학, 여과재료, 에너지저장 등 분야에서 거대한 응용잠재력을 보여주고 있다.본고는 전장력 작용 메커니즘, 용액 사류 행위와 섬유 성형 과정의 세 가지 측면에서 고압 정전기 방사 설비의 기본 원리를 체계적으로 해석한다.

　　1. 전장력 구동하의 사류 형성 메커니즘

고압 정전기 방사설비의 핵심 원리는 고압 전장(일반적으로 5-30kV)을 이용해 중합체 용액이나 용해체를 전기를 띠게 하고, 전장력이 용액 표면의 장력을 극복할 때 테일러 송곳을 형성해 대전체 사류를 분사하는 것이다.물리적 프로세스는 다음 세 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 전하 축적 단계

고압 전원을 통해 용액 표면에 전하 분포를 유도하고, 용액 표면 전하 밀도 (σ) 와 전장 강도 (E) 의 만족 관계: σ = ε₀ε _ rE, 그 중 ε₀는 진공 개전 상수, ε _ r는 용액 상대 개전 상수이다.표면 전하에서 발생하는 전장력(F_e=σE)이 용액 표면 장력(F_s=2 πr감마, r는 액적 반경, 감마는 표면 장력)을 초과하면 액적은 테일러 테이퍼로 변형된다.

2. 사류 불안정 스트레칭 단계

대전사류가 테일러추를 떠난후 전하간의 배척작용으로 인해 구부러지고 불안정성이 생기는 동시에 전장력은 지속적으로 사류를 당겨 그 직경이 미초급시간내에 수백미크론에서 나노급으로 급강하하게 한다.이 과정에서 용제는 빠르게 휘발하거나 용해체가 냉각되고 굳어져 초생섬유를 형성한다.

3. 섬유 퇴적 및 경화 단계

대전체 섬유는 전장 작용으로 수집판으로 날아가 수집판 운동 속도(0.1-10m/s)와 전장 분포를 조정해 섬유 배열 방향을 제어할 수 있다.용융 방사의 경우 섬유가 끊어지지 않도록 용해체의 온도를 정확하게 제어해야 한다.

　　2. 관건적인 공정 매개 변수가 섬유의 형상에 미치는 영향

1.전압 강도: 전압 상승 (10-25kV) 은 전장력을 강화하고 섬유의 직경을 낮출 수 있지만, 높은 전압 (> 30kV) 은 불꽃 방전으로 인해 방사가 중단되기 쉽다.

2. 용액 농도: 농도가 너무 낮음(<5wt%)으로 사류가 끊어지고, 농도가 너무 높음(> 20wt%)은 점도가 너무 높아 테일러 테이퍼를 형성하기 어렵다;

3. 수신 거리: 거리 증가(10-30cm) 용매 휘발 시간을 연장하고 섬유 접착을 줄이지만 너무 긴 거리는 전장 강도를 낮추어 스트레칭 효과에 영향을 줄 수 있다.

4.환경 매개 변수: 습도가 높아지면 (> 60% RH) 용제의 휘발을 지연시켜 섬유의 직경이 고르지 못하다.온도 상승 (25-60 ℃) 은 용액의 점도를 낮추고 방사의 안정성을 촉진합니다.

　　3. 전형적인 응용장면 확장

1.생물의학: 조직공학 중 세포 접착 및 증식에 사용되는 폴리우레탄 (PLA) 나노섬유 브래킷을 제조한다;

2.공기 여과: 정전기 방사를 통해 PVDF 나노 섬유막을 제조하여 PM0.3에 대한 여과 효율이 99.97% 에 달한다;

3.에너지 분야: PAN 기반 탄소 나노 섬유를 리튬 이온 배터리 음극 재료로 사용하여 용량보다 500mAh/g 이상으로 향상시킵니다.

고압 정전기 방사 설비는 전장력과 용액 유동학 행위를 정확하게 조절하여 미시에서 거시로 가는 다자도 구조 제어를 실현하였다.다바늘 배열, 근거리 직사 등 기술의 돌파에 따라 그 공업화 응용 과정은 끊임없이 가속화되고 있다.