影響靜電紡絲纖維成形之因素

影響纖維形態的因素有許多，舉凡溶液調配比例、溶液之分子量、溶液 之流量、溶劑揮發性、溶液之物理特性、操作電壓及工作距離等。以下將詳 細說明並提出相關參考文獻。

(1) 高分子溶液的分子量影響

2004 年，A. Koski 等人利用靜電紡絲技術製備 PVA 奈米纖維，此團隊 使用不同分子量及不同濃度進行形貌探討，研究結果指出 PVA 的分子量對 靜電紡絲纖維的形態有很明顯的影響。當 PVA 的分子量降低時，產生液珠 形態要比纖維形態的情況還更多，但隨著 PVA 分子量的提高，液珠形態減 少纖維則趨於增加，同時纖維的直徑變大且形態由圓形轉變為扁平形，如圖 2-4 (a)-(c)【25】所示。

(a)

(b) (c)

Figure 2-4 Effect of molecular weight on fibrous PVA: (a) Mw=9000-10,000 g/mol； (b) Mw=130,000-230,000 g/mol； (c) Mw=31,000-50,000 g/mol.【25】

(2) 高分子溶液的流量影響

2004 年，X. Yuan 等人研究指出，隨著高分子溶液流量提升，相對液體 噴射的體積也會增加，因此需要較長時間使溶劑揮發，當噴射於空中飛行 中，若沒有足夠的時間使其揮發，會導致纖維到達收集器之前，產生連續大 小不均勻之串珠纖維，此纖維的直徑也相對較粗，如圖 2-5 (a)-(d)所示【26】。

(a) (b)

(c) (d)

Figure 2-5 Effect of flow rate on the morphology of the ultrafine polysulfone fibers electrospun from 20 % polysulfone/N,N-dimethylacetamide solution at 10 kV. Flow rate = 0.40 ml/h (a-b) and 0.66 ml/h (c-d). Capillary-screen distance = 10 cm.【26】

(3) 摻入溶劑的影響

2002 年，Megelski 等人試著以聚苯乙烯(Polystyrene, PS)摻入高度揮發性 溶劑二硫化碳(Carbon disulfide, CS2)進行靜電紡絲實驗，發現噴射過程中，

針尖會迅速產生一層 PS 凝固薄膜，阻塞流體的流動，因而實驗停止。該文 獻在研究結果提出，可以混和溶劑來調變溶液的揮發速率，若是溶劑完全是 二甲基甲醯胺(Dimethylformamide, DMF)時，則噴射出之纖維表面為光滑平 整無任何孔洞，若是摻入高度揮發性之溶劑 THF 後，則纖維表面孔洞會大 幅增加。除此之外，另一個發現認為在噴射過程中會進行放熱反應，使得空 氣中的水氣會冷凝在所噴射出的纖維上，最後冷卻固化後便形成多孔洞之纖 維結構，如圖 2-6 (a)-(f)所示【27】。

Figure 2-6 SEM images of PS fibers electrospun from THF as a solution with PS concentration: (a) 18 wt %; (b) 25 wt %; (c) 28 wt %; (d) 30 wt %; (e) 35 wt

%; (f) magnified image.【27】

(4) 高分子之物理特性影響 (表面張力、黏度、導電度)

1999 年，H. Fong 等人試著將聚氧化乙烯(Polyethylene, PEO)摻入不同配 比的乙醇及鹽類(NaCl)，並配製成高分子溶液，探討其黏度及表面張力對靜 2000 年，D. Reneker 等人指出可溶解性鹽類的添加，可增加高分子溶液 中正負離子數量，進而增加溶液之表面電荷密度。纖維噴射過程中，受到極 大静電作用力的影響，表面電荷密度將會提升，離子移動所產生多餘靜電斥 力則越多，故溶液導電度的提高可減少串珠狀纖維形態的生成【29】。

2003 年，K. H. Lee 等人將聚氯乙烯(Polyvinyl chloride, PVC)與聚氨基甲 酸酯(Polyurethane, PU)混合配製高分子溶液，發現 PU 比例增加其溶液黏度 越大，所紡出之纖維直徑也相對變粗【30】。

Figure 2-7 (a) Morphology of beaded fibers versus solution viscosity. Electric field is 0.7 kV/cm. The horizontal edge of each image is 20 m.【28】

Figure 2-7 (b) Variation of beaded fibers as the mass ratio of water/ethanol is changed. Electric field is 0.5 kV/cm, weight fraction of PEO is 3.0 %. The horizontal edge of each image is 20 m.【28】

Figure 2-7 (c) Variation of beaded fibers as net charge density changes due to the addition of NaCl. Electric field is 0.7 kV/cm. Weight fraction of PEO is 3.0 %.

The horizontal edge of each image is 20 m.【28】

(5) 操作電壓的影響

2003 年，K. H. Lee 等人將聚苯乙烯(Polystyrene, PS)摻入 DMF/THF 混合 溶劑配製成高分子溶液，探討操作直流電壓的提升對電紡絲纖維之影響。由 圖 2-8 的研究結果指出，操作電壓的提升，對串珠狀及紡垂狀纖維現象有減 少的趨勢，但操作電壓為一個範圍，當電壓值過大時，串珠及紡垂狀纖維又 會大量出現，推測因為在較大静電斥力相互作用下，高分子彼此間產生較大 拉伸力，使得串珠平均粒徑變小，纖維表面呈現較均勻形貌【31】。

2004 年，L. Wannatong 等人針對操作電壓和纖維直徑做詳細探討，其研 究結果發現，纖維直徑最主要受到表面庫倫静電力(Coulombic force)、溶液 的黏彈力(Viscoelastic force)以及溶液表面張力(Surface tension)三種力之影 響。在較低操作電壓時，表面庫倫静電力不足無法突破表面張力，導致纖維 直徑較粗。然而，當三種力互相達到平衡時會使纖維趨於最小直徑，此時操 作電壓等於臨界電壓(Critical voltage)，若當操作電壓超過臨界電壓時，因表 面庫倫静電力大於溶液的黏彈力，造成纖維直徑變粗【32】。

Figure 2-8 The aspect ratio of beads under different applied voltage (PS dissolved in the mixture of THF/DMF, 50/50 (v/v)). The solution concentration and tip to collector distance were 13 wt% and 12 cm, respectively.【31】

(6) 工作距離之影響

1999 年，C. Buchko 等人提出在較短的工作距離進行靜電紡絲實驗，可 得到較稀疏纖維形態，相反地，若是拉長工作距離，則纖維形態呈現較密集 且彼此間有交織的情況，如圖 2-9 (a)-(b)所示【33】。

2002 年，K. H. Lee 等人將聚氯乙烯(Polyvinylchloride, PVC)溶於等比例 DMF/THF 混合溶劑之中，藉由改變靜電紡絲工作距離探討噴射出之纖維形 態。研究結果指出，隨著工作距離變大，PVC 纖維的線徑有變細的趨勢，如 圖 2-10 (a)-(c)所示【34】。

Figure 2-9 Effect of deposition distance on fiber morphology: (a) deposited at 2 cm, resulting in round fibers, (b) deposited at 0.5 cm, resulting in flat fibers.【33】

Figure 2-10 SEM images of electrospun PVC fibers as a function of the tip-to-collector distance: (a) 6, (b) 10, and (c) 15 cm. The applied electric field was 15 kV, and the solution concentration was 15 wt %, with a 50/50 DMF/THF volume ratio.【34】

(7) 靜電紡絲影響變因之結論

靜電紡絲技術與其他紡絲類相關製程一樣，會由各種主要參數及材料性 質的差異，導致製作之纖維有所不同。但由於靜電紡絲所生產之纖維接近 微、奈米尺度，在微觀下些微的參數改變，纖維形態將會有劇幅之變化，證 實纖維的生產受參數之影響相當敏感，由圖 2-11 可看出主導靜電紡絲影響 纖維直徑之變因，以及它們與纖維直徑之間的相關性【35】。纖維直徑主要 與四種參數有密切關係，包括工作距離、操作電壓、流量與溶液濃度，其中 工作距離及操作電壓與纖維直徑成反比關係，而流量及溶液濃度則與纖維直 徑成正比關係，故透過不同參數之改變，則可製備出所需線徑尺寸與表面形 貌之奈米纖維。

Figure 2-11 Diameters of nanofiber depend on various parameters of electrospun.