靜電紡絲是一種利用高壓靜電場(chǎng)將聚合物溶液或熔體拉伸成納米纖維的技術(shù)。其原理是當(dāng)噴絲頭帶電的聚合物液滴在高壓電場(chǎng)作用下，表面張力被電場(chǎng)力克服，形成泰勒錐，液滴被拉伸成射流，經(jīng)拉伸、劈裂和固化后形成納米纖維。此技術(shù)可制備出具有高比表面積、優(yōu)異力學(xué)性能和良好透氣性的納米纖維材料，在過濾、防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖：ATA-7050高壓放大器在靜電紡絲研究中的應(yīng)用

一、高壓放大器在靜電紡絲中的關(guān)鍵作用

（一）提供穩(wěn)定高壓電場(chǎng)

靜電紡絲需數(shù)千至數(shù)十千伏的高壓電場(chǎng)，高壓放大器可將信號(hào)發(fā)生器的低電壓信號(hào)放大到所需高電壓水平，為紡絲提供穩(wěn)定電場(chǎng)。如安泰電子的ATA-7050高壓放大器，單端輸出可達(dá)10kVp-p（±5kVp），滿足多種材料的紡絲需求。

（二）精準(zhǔn)調(diào)控紡絲參數(shù)

高壓放大器能精確調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率。通過數(shù)控增益調(diào)節(jié)，可優(yōu)化紡絲參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維直徑、均勻性和形貌的精準(zhǔn)控制。在聚偏氟乙烯（PVDF）紡絲實(shí)驗(yàn)中，電壓從10kV增至15kV時(shí)，纖維直徑變細(xì)且更連續(xù)光滑；但電壓超過18kV后，纖維出現(xiàn)串珠結(jié)構(gòu)，均勻性下降。

（三）快速響應(yīng)與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

高壓放大器具備快速的壓擺率（如≥111V/μs），可快速響應(yīng)電場(chǎng)變化需求，及時(shí)調(diào)整輸出電壓，保證射流穩(wěn)定。在紡絲過程中，當(dāng)溶液性質(zhì)或環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，放大器能迅速做出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定的紡絲狀態(tài)，確保纖維質(zhì)量。

圖：10kV高壓放大器在靜電紡絲工藝制備PVDF中的應(yīng)用

二、高壓放大器在靜電紡絲中的應(yīng)用案例

（一）生物醫(yī)學(xué)材料

在制備卟啉基納米纖維時(shí)，高壓放大器精準(zhǔn)控制電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)藥物負(fù)載纖維的定向釋放。如負(fù)載光敏劑的PVDF纖維，用于光動(dòng)力療法（PDT），可在光照下選擇性控制癌細(xì)胞增殖。

（二）環(huán)境與能源材料

在開發(fā)高通量油水分離膜和空氣過濾材料時(shí)，高壓放大器通過優(yōu)化電壓參數(shù)（如12-15kV區(qū)間），顯著提升了纖維膜的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度，從而提高了材料的分離效率和過濾效果。

（三）智能傳感器

基于靜電紡絲制備的導(dǎo)電纖維膜可用于氣體傳感。高壓放大器的穩(wěn)定輸出確保了傳感器活性位點(diǎn)的高效分布，提升檢測(cè)靈敏度。如通過調(diào)控紡絲電壓和速度參數(shù)，可制備出具有良好疏水性和特定微觀形貌的PVDF纖維膜，用于傳感器材料。

三、面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向

（一）協(xié)同優(yōu)化難題

不同聚合物溶液的電導(dǎo)率、黏度差異大，需動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓。現(xiàn)有設(shè)備需集成智能反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紡絲過程中的溶液性質(zhì)變化和纖維形態(tài)，自動(dòng)調(diào)整放大器輸出參數(shù)。

（二）工業(yè)化生產(chǎn)需求

工業(yè)級(jí)靜電紡絲設(shè)備需長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)高壓放大器的功率、散熱和耐久性提出更高要求。未來需開發(fā)更高功率、更好散熱性能的放大器，以滿足規(guī)模化生產(chǎn)需求。

（三）多功能復(fù)合材料趨勢(shì)

新型多功能納米纖維材料的制備，常需采用多噴頭靜電紡絲裝置。這要求高壓放大器具備多通道輸出和協(xié)同控制能力，以實(shí)現(xiàn)多噴頭間的精確電壓控制和同步運(yùn)行，降低廢品率。

圖：ATA-7000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

未來，高壓放大器技術(shù)將向高精度、模塊化、智能化方向發(fā)展。結(jié)合人工智能算法實(shí)時(shí)調(diào)控電壓參數(shù)，或開發(fā)多通道輸出放大器，可滿足復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)的制備需求，進(jìn)一步拓展靜電紡絲的應(yīng)用邊界。

審核編輯 黃宇