DOI:10.1038/s41598-020-77985-0

静电纺丝是一种用于生产纳米纤维并将其收集为纳米纤维垫的简单且通用的方法。然而，由于弯曲不稳定性，静电纺丝通常会产生厚度不均匀的纳米纤维垫。在这项工作中，研究者开发了一个基于实时厚度测量和厚度反馈控制的具有可移动收集器的均匀厚度电纺纳米纤维毡（UTEN）生产系统。该系统与具有空隙区域的收集器兼容，例如网状收集器、两块平行金属板收集器和环形收集器，这便于测量静电纺丝过程中纳米纤维毡的透光率。该实时测量系统可测量光的透射率，并根据朗伯比尔定律将其实时转换为纳米纤维毡的厚度。通过重复以下步骤来实现厚度反馈控制：（1）根据测得的纳米纤维垫厚度找到可移动收集器的最佳位置，（2）将收集器移动到最佳位置，以及（3）在给定的时间步长内进行静电纺丝。研究发现，与传统的静电纺丝相比，厚度反馈控制算法可以通过将数值模拟和实验的标准偏差分别降低8倍和3倍以上，从而显著降低纳米纤维毡的不均匀性。作为一项开创性研究，本研究有助于未来静电纺丝系统的开发，从而在生物医学、环境和能源等诸多研究和工业领域中生产出坚固耐用的纳米纤维毡。

图1.（a）均匀厚度电纺纳米纤维毡（UTEN）生产系统的示意图和（b）照片。

图2.（a）静电纺丝之前和（b）之后两个平行金属板收集器。（c）纳米纤维垫的SEM图像。比例尺为20µm。

图3.（a）3D打印收集器支架和安装在收集器支架底部的CCD摄像机的图像。（b）由CCD相机拍摄的（i）不带和（ii）带纳米纤维垫以及（iii）带不透明板的收集器空隙区域的图像。（c）纳米纤维垫的厚度与光强度的关系曲线。所有比例尺均为1cm。

图4.常规静电纺丝中纳米纤维毡的沉积行为。（a）（i）纳米纤维垫在10和12分钟时的底视图图像和（ii）沿水平轴的厚度。（iii）10至12分钟纳米纤维垫的沉积量。（b）（i）纳米纤维垫在30和32分钟时的底视图图像和（ii）沿水平轴的厚度。（iii）30至32分钟纳米纤维垫的沉积量。所有比例尺均为1cm。

图5.厚度反馈控制算法流程图。

图6.模拟结果。基于（a）常规静电纺丝系统和（b）UTEN生产系统模拟纳米纤维垫随时间变化的底视图图像。（c）比较常规静电纺丝和UTEN生产系统之间的标准偏差（σ）和（d）归一化平方误差（NSE）。所有比例尺均为1cm。

图7.实验结果。使用（a）常规静电纺丝系统和（b）UTEN生产系统制备的纳米纤维毡随时间变化的底视图图像。（c）比较常规静电纺丝和UTEN生产系统之间的标准偏差（σ）和（d）归一化平方误差（NSE）。所有比例尺均为1cm。