压力纺丝中容器与收集器设计优化纤维形态及生产效率的研究

推荐：本研究通过系统探究压力纺丝（pressurised gyration）中收集器距离（100-200 mm）和容器直径（60 mm vs. 75 mm）对水溶性聚合物纤维形态、生产速率及能耗的影响，开发了可调垂直定位系统。结果表明，增大气体压力（0-0.2 MPa）使PVP 50%生产率达31.6 g/hr，同时降低纤维直径（最小0.4 μm）与能耗；75 mm容器直径提升21%生产效率，200 mm收集距离显著改善纤维排列（coherency=0.733）。该研究为可扩展、节能的纤维生产系统设计提供了实践指导。

　　

在生物医学和材料科学领域，聚合物纤维因其可定制的结构和功能特性成为组织工程、药物递送和过滤系统的关键材料。然而，传统纤维制备技术如静电纺丝（electrospinning）面临生产速率低、能耗高的问题，而新兴的压力纺丝（pressurised gyration）技术虽具备规模化潜力，但其关键几何参数（如收集器距离和容器直径）的影响机制尚不明确。英国研究人员Manul Amarakoon团队在《Materials》发表的研究，通过设计可调式压力纺丝系统，揭示了这些参数对纤维形态与生产效能的调控规律，为绿色制造提供了新思路。

研究采用模块化实验装置，通过垂直移动旋转容器（60 mm/75 mm直径）在固定锥形收集器内的位置，实现收集器距离（100/150/200 mm）的精确调控。结合激光测速仪和SEM（扫描电镜）分析，系统评估了72种条件下PEO（聚乙烯氧化物）和PVP（聚乙烯吡咯烷酮）溶液的纤维产出特性，并利用OrientationJ量化纤维排列一致性（coherency）。

3.1 生产速率
数据显示，气体压力是主导因素：0.2 MPa下PVP 50%生产率达31.6 g/hr，而收集器距离无显著影响。75 mm容器的产出率比60 mm容器平均高21%，印证了离心力（F_c=mrω²）与半径的正比关系。

3.2 能耗
75 mm容器单位质量能耗更低，0.2 MPa时PEO 50%能耗仅4,500 J/g（60 mm容器为13,714 J/g）。高浓度溶液（50%）因纤维更粗，能耗较40%溶液降低30%-50%。

3.3 纤维形态
200 mm收集距离使纤维直径最小化（PVP 40%：1.2→0.8 μm），CV（变异系数）降低至0.18。75 mm容器在0.2 MPa下产生最细纤维（0.4 μm），且coherency提升至0.733（PEO 50%），优于60 mm容器的0.470。

3.5 设计启示
研究指出，增加转速（ω）对离心力的提升效果是增大容器直径的4倍（F_c∝ω²），但工业场景中460 mm容器的空间限制凸显几何优化的平衡价值。

该研究证实，压力纺丝系统可通过非能耗参数（如收集器距离和容器几何）实现纤维特性的精准调控。75 mm容器与200 mm收集距离的组合，在无需额外能耗下同步提升纤维细度（0.4 μm）、排列度（coherency=0.733）及能效（21%），为生物医用纤维的规模化绿色生产提供了关键技术支撑。尤其在水溶性聚合物（如PEO/PVP）的加工中，这一发现可显著降低环境敏感型应用（如可降解支架）的制造成本与生态风险。