电吹纺中工艺变量的交互作用量化：一种基于专家驱动最佳-最差法（BWM）的优化纳米纤维制备研究

《Journal of Industrial Textiles》：Quantifying the interplay of process variables in electro-blowing: An expert-driven best-worst method approach for optimized nanofiber fabrication

　　

电吹纺（EB）已成为纳米纤维制备领域一种变革性的高通量技术，弥补了实验室规模静电纺丝与工业生产需求之间的差距。然而，静电力与高速气流的同步交互构建了一个复杂的多物理场环境，使得工艺优化仍是重大挑战。本研究采用最佳-最差法（BWM）对EB工艺与材料变量进行全面的定量优先级排序，以超越传统经验试错法。为保障科学严谨性，研究人员首先基于Web of Science数据开展两阶段文献计量分析，确认EB研究呈急剧上升趋势，同时凸显出系统参数赋权方面的关键空白。随后，咨询20位领域专家小组评估关键变量的相对重要性。经严格一致性筛选后，合成15位高度一致专家的判据，获得极低的平均不一致比（ξLavg=0.05779）。研究发现溶液浓度（22.97%）、黏度（18.38%）和分子量（16.04%）构成主要关键三元组，支配总工艺影响的57.39%。次级因素如施加电压（11.08%）和气压（10.05%）在纤维细化中起重要但从属的作用。关键的是，该理论BWM层级通过聚乳酸（PLA）纳米纤维物理实验成功验证。实验结果与专家共识强相关，实际确认材料流变学决定射流基本可纺性，而操作变量作为次级机制驱动微调纤维形貌。通过整合专家启发式知识与BWM结构化赋权及实证验证，本研究为先进纳米纤维膜的重复性与规模化开发建立了稳健的、数学基础的路线图。

研究背景与动机

纳米纤维因高比表面积、可控孔隙率等特性，在过滤、生物医学支架、组织工程、活性食品包装、智能纺织与传感器系统中备受关注。溶液基纳米纤维三大主流技术为静电纺丝（ES）、溶液吹纺（SBS）及其混合体电吹纺（EB/EBS）。EB融合静电场导向与高压气体动力牵引，兼具高产出与结构均一性，喂料速率可达117 μL/min。尽管Web of Science显示EB文献快速增长，但既有研究多孤立考察单变量或依赖试错，缺乏跨研究可比的参数相对重要性定量层级，导致实验资源浪费与放大转移困难。现存两大空白：一是少有系统量化浓度是否比电压更具支配性；二是无专家驱动赋权与决策整合。为此，研究人员以EB纤维直径控制为目标，引入多准则变量评价（MCVE）思路，用最佳-最差法（BWM）将20位具5年以上经验的专家判据转为数学权重，并以PLA实验闭环验证。

主要技术方法

研究人员先以Web of Science核心库两阶段文献计量（bibliometrix/biblioshiny包）筛出9个高频影响纤维直径的标准（溶液浓度、分子量、黏度、喂料速率、电压、气压、针尖-收集距TCD、喷嘴直径、相对湿度），再由20位跨学科专家（纺织、材料、机械、化学，平均9.8年资历）执行BWM：每人仅需15次“最佳-其他/其他-最差”比较（较AHP的36次降58%认知负荷），线性规划求最小不一致比ξ^L，以ξ^L≤0.1剔出5人，留15人几何平均（GM）聚合群权。实验端以PLA 4043D/氯仿体系，浓度6/8/10 wt.%、气压3/4/5 bar、电压15/20/25 kV三因子三水平，SEM（TESCAN VEGA 3, 5 kV）结合ImageJ测径，单变量对照。

研究结果

3.1 BWM结果评价：15人面板平均ξ^L_avg=0.059，群权显示溶液浓度0.22971（23.0%）居首，黏度0.18384（18.4%）、分子量0.16035（16.0%）次之，三者占57.4%；电压9.4%、气压9.3%为次级；TCD仅4.1%垫底。变异系数（CV）显示气压（0.165）与喂料速率（0.203）共识最高，TCD（0.518）与电压（0.428）分歧最大。

3.2 优先级参数阐释：流变三元组（浓度-黏度-MW）决定射流连续性与珠节边界，属“基础可纺性层”；电压与气压在流变达标后作为“机制驱动层”提供静电拉伸与气动牵伸微调至纳米级；湿度、TCD影响蒸发但权重低。该层级与文献中Pokorny等HA/PEO、Hsiao等空气辅助ES、PVDF-EB报道吻合（浓度翻倍径增200%–300%，气压降压20%–40%，电压降压10%–30%）。

3.3 实验分析：3.3.1 浓度效应：8 wt.%与10 wt.%珠节少于6 wt.%，8 wt.%径256–486 nm；浓度升→链缠结增→径增、珠减，低浓度因蒸发慢致纤维束化。3.3.2 气压效应：20 kV下3→5 bar使均径419→291 nm，气流负压区稳射流，但过压致失稳。3.3.3 电压效应：8 wt.%/4 bar下15→25 kV径486→256 nm，但25 kV过拉伸断纤；最优组为8 wt.%、4 bar、20 kV，印证浓度为主导。

讨论与结论翻译

讨论指出EB多物理耦合使单因素试错误导且维度灾难，BWM以“最佳”为锚绕开机台标定噪声，给出“流变优先”路线图；浓度-分子量-黏度虽数学独立但物理共线，专家启发式自然聚拢为不可分割流变控制单元。结论：研究人员以BWM对9参数定权，ξ^L_avg极低，溶液性质三元组占57.4%以上主导纤维直径，操作变量仅二次微调；PLA实验与文献数值趋势强证该层级。该框架为EB/ES/SBS超越试错提供决策支持，直指中试与工业放大。论文发表于《Journal of Industrial Textiles》。