電紡織製程參數

常於電紡織製程控制參數為：電壓、流速、距離、毛細管孔徑、毛細管開口 形狀等等。各個參數皆可直接或間接影響電紡織纖維結果，可藉此控制纖維表面 形態、直徑大小、乾溼程度等等。

在工作電壓(working voltage)部份，前些章節有提及泰勒錐，主要控制因子

即為工作電壓，外加電場的強弱主要是由兩電位之間距離及施加直流電電壓而決 定，在高施加電壓及短距離時可達到最強電場。但在電紡織製程時，毛細管與收 集板大多需要一定距離，目的為有足夠空間、時間讓電紡織纖維於鞭動不穩定作 用時形成奈米微米尺度纖維，與適當蒸散溶液溶劑以達到乾燥目的，因此電場電 壓控制十分關鍵。電壓低於臨界電壓時，無法形成電紡織纖維；等於臨界電壓時 將形成泰勒錐(Taylor cone)；高於臨界電壓後將可噴出電紡織纖維，且纖維直徑 一般隨著電壓增高而降低，為電場增強使至帶電溶液發生更強烈鞭動不穩定效 應，使纖維可形成更細小分支造成更小尺度纖維產生。

但電壓增大亦有其極限，相同溶液注射速率下，高電壓時溶液於毛細管末端 噴出，出口速率較低電壓時大，若出口速率大於溶液所能供給速率時，將會發生 無射流形成，勢必要提高溶液注射流速或降低電壓。一般在高電壓時可增加溶液 溶劑蒸散速率，使纖維較為乾燥；相對低電壓時，則可得較濕潤纖維。在電紡織 製程時，使用過高工作電壓易發生問題，由於溶液本身可攜帶電荷，因此於高電 壓時溶液出現電流從毛細管逆流回注射系統，使至注射系統蠕動幫浦因受電流短 路造成當機。或發生放電跳電等等結果，皆不利於人員操作。因此在電紡織電壓 選擇時，常見使用工作電壓為 10kV 至 30kV，但亦有例外。文獻上 Lin 團隊所研 究的近場電紡織技術(Near-Field Electrospinning)，¹⁴即是利用一毛細管尖端沾取 高分子溶液(Dip-pen)，以及較小毛細管與收集板之距離，使至可於 1kV 形成電 紡織纖維，且可控制其纖維收集位置進而於收集板上做出特殊圖形(pattern)。但

此技術並無連續性注射系統，必須多次沾黏補充高分子溶液於毛細管尖端。

流速(Feed rate)為高分子注射通過毛細管速率以及數量，於高流速下若電壓 無法大於該條件時臨界電壓，則無法形成纖維。高分子溶液會於毛細管末端形成 液滴落下，反之若在低流速過高電壓操作時，亦無法形成纖維，高分子溶液無法 突破表面張力於泰勒錐噴出。因此適當流速搭配適當工作電壓相當重要，一般在 良好條件下，電壓固定時電紡織纖維直徑會隨著注射流速增加而增大，由於單位 時間通過毛細管高分子數量增大，因此於電紡織過程中隨著溶劑揮發後即產生較 粗纖維。一般實驗時，水溶性電紡織高分子，適合於低流速下進行電紡絲製成，

因其濃度通常較有機溶劑溶解型高分子低，因此於高流速時易產生液滴噴灑，不 利於形成纖維；反之有機溶劑溶解型高分子通常溶液製備濃度較高，且可於較高 流速操作。

工作距離(Distance)可影響電場強度、溶劑揮發程度，在低工作距離時形成 強大電場，可促使帶電液柱於電場中進行更為激烈的鞭動不穩定運動，造成更細 小纖維。但於低工作距離時，液柱行進距離、時間極短，因此無法使溶劑完全揮 發，可能造成較濕潤纖維或是無法形成纖維。高工作距離形成較弱電場，雖溶劑 可有效揮發，但電場誘導鞭動不穩定效應差，亦不利於纖維產生。因此工作距離 時常搭配工作電壓一同決定，文獻中最常使用的距離為 10 公分至 30 公分，低於 10 公分操作，亦如前些篇幅提及的 Lin 團隊，研究近場電紡織技術(Near-Field Electrospinning)即是利用相當低工作距離。

毛細管孔徑(Needle diameter)會對臨界電壓造成影響，根據公式一可知，臨 界電壓與毛細管孔徑成次方正比關係，較小毛細管孔徑可使臨界電壓降低，因此 在相同工作電壓時較小孔徑毛細管可製得較細纖維，亦可降低珠狀缺陷出現。通 常水溶性高分子溶液會選用較小孔徑毛細管，使低濃度、低黏度溶液能於高電場 中形成纖維。但孔徑大小有其限制，若溶液具有較高黏度時，則不適合使用小孔 徑毛細管，其可能發生堵塞等等問題。

以上製程參數皆為了達到良好纖維，最佳化條件製得奈米微米纖維，鮮少影 響纖維外觀形狀，最直接可影響纖維外觀參數為：溶劑揮發程度以及毛管開口形 狀(Needle shape)。文獻上使用不同毛細管開口形狀的 Reneker 研究團隊，¹⁵利用 此開口不同成功製得不同形貌纖維，如圖十一所示，為不同開口形狀毛細管，傳 統型毛細管皆為(a)，其製得纖維為圓柱狀，但將開口加工成不同形狀後如(b)到

(e)，則可發生圖十二中之扁狀纖維，或是有特殊結構排列纖維，皆可使這些纖 維具有更多應用。

圖十一、不同開口形狀毛細管¹⁵

圖十二、不同開口形狀毛細管電紡織纖維¹⁵