同轴双射流静电纺丝制备核壳纤维的高压电源配置
同轴静电纺丝技术是在传统单轴电纺基础上发展而来，用于制备具有芯-壳结构的复合纳米纤维。该技术通过两个同心但彼此绝缘的喷头，分别注入芯层溶液和壳层溶液，在高压静电场作用下，两种液体共同形成泰勒锥，拉伸形成芯-壳结构的射流，最终固化收集得到核壳纤维。这种结构在药物控释、组织工程、相变储能、电化学储能等领域具有重要应用价值。然而，同轴电纺的成功实施对高压电源的配置提出了远复杂于单轴电纺的要求，需要精确控制芯层与壳层液体在喷头处的带电状态、界面稳定性及射流行为。
**一、同轴电纺对高压电源的特殊需求**
与单轴电纺只需一个高压源连接喷头不同，同轴电纺涉及两个独立但同轴的喷头，它们之间需要保持特定的电位关系。常见的电源配置方式有三种：
**1. 共用高压源，芯壳同电位**：将芯层喷头和壳层喷头连接至同一台高压电源的正极（或负极），接收极接地或接相反极性。此配置最为简单，但芯壳溶液处于同电位，两者之间无电场差，界面电荷主要由溶液的电导率差异决定，芯液可能无法被壳液有效包裹，易出现芯液裸露或喷射不稳定的现象。
**2. 独立高压源，芯壳不同电位**：芯层喷头和壳层喷头分别由两台独立的高压电源供电，接收极接地或接公共电位。这是目前实验室研究中最常用的配置，它允许对芯壳溶液的带电状态进行独立调控。通过调节芯层电压Vc和壳层电压Vs，可改变芯-壳界面的电场分布，从而优化泰勒锥形状和射流稳定性。例如，适当提高Vs/Vc比值，可使壳液更好地包覆芯液；反之，若Vs过低，芯液可能突破壳层形成混合射流。
**3. 分压器配置**：用一台高压电源供电，通过精密电阻分压器为芯壳喷头提供不同电压，但共用参考地。此方案介于上述两者之间，成本较低，但分压比固定后不易调节灵活性受限。
**二、芯壳电位差对核壳纤维形成的影响**
芯壳喷头间的电位差（ΔV = Vc - Vs）是控制核壳结构的关键参数。其物理机制可从静电力和界面电荷两个角度理解：
- **静电力作用**：当芯液电导率高于壳液时，电荷更易积聚在芯液表面。若Vc高于Vs，芯液表面将受到指向壳液的法向电场力，有助于芯液被壳液包裹；反之，若Vc低于Vs，芯液可能被壳液“挤压”向中心退缩，甚至导致射流断裂。
- **界面电荷积累**：芯壳溶液多为极性有机溶剂或水溶液，在强电场下会发生极化，界面处积累的电荷密度影响界面张力，进而影响泰勒锥的锥角和多股射流的稳定性。
实验研究表明，对于特定的芯壳材料体系，存在一个最优的ΔV窗口。在此窗口内，泰勒锥呈现稳定的同心结构，射流直径均匀，收集到的纤维核壳分明、无断芯或串珠缺陷。ΔV偏离窗口时，可能出现芯液滴落、壳层破裂或纤维直径波动等问题。
**三、高压电源配置的技术要求**
为实现上述独立调控，高压电源系统需满足以下技术要求：
**1. 双通道独立输出**：两台电源（或一个双通道模块）应具有完全独立的高压输出，通道间电气隔离，可分别设定电压极性和幅值。输出电压范围通常为0-30kV，极性可正可负，以适应不同极性溶液的电纺需求（正电纺常见，但负电纺也有应用）。
**2. 高精度与高稳定性**：芯壳电位差ΔV通常仅为数百伏至数千伏，而芯壳电压本身可能高达十余千伏。因此，要求每个通道的电压设定精度优于0.1%，纹波小于0.05%，且长期漂移小。任何微小的电压波动都可能被界面放大，影响纤维质量。
**3. 通道间同步与协同控制**：在动态调节过程中（如从启动电压升至工作电压），两台电源的电压上升斜率应保持一致，或按设定比例同步变化，避免因上升速率差异导致过渡态不稳定。同样，在关闭时应同步下降。
**4. 电流监测与保护**：每通道需具备高分辨率电流监测（纳安级），用于实时监控射流状态。当发生液滴滴落、喷头堵塞或火花放电时，电流会突变，电源需快速响应并自动切断或报警，保护喷头及样品。
**5. 接地策略**：两台独立电源的参考地应最终连接至同一点（通常为系统保护地），避免因地电位差引入工频干扰。接收极可接地或接独立偏压电源，若接独立偏压，则需第三台电源。
**四、与工艺参数的协同优化**
除了电源配置，同轴电纺的成功还需综合考虑其他工艺参数，高压电源系统应具备与这些参数协同工作的能力：
- **溶液性质**：芯液和壳液的浓度、电导率、黏度、表面张力直接影响最优ΔV。电源应支持快速调参，以便在更换材料时迅速找到新窗口。
- **流量控制**：两台注射泵的芯壳流量比是控制纤维芯径比的主要手段。流量比与ΔV存在耦合，需联合优化。先进系统可将流量计信号接入电源控制器，实现流量-电压联动控制。
- **接收极距离与结构**：接收极距离影响电场强度，当改变距离时，需相应调整芯壳电压以维持泰勒锥稳定。电源应能根据用户输入的距离参数自动推荐电压范围。
- **环境温湿度**：温湿度影响溶剂挥发速率和溶液电导率，电源可内置温湿度传感器，根据预设算法对电压进行补偿。
**五、系统集成与智能化发展**
随着同轴电纺向多通道、高通量发展，对高压电源系统的智能化集成提出更高要求。未来系统将呈现以下趋势：
1. **多通道阵列化**：为制备核壳纤维毡，需多个同轴喷头并列运行，每个喷头的芯壳电极需独立供电。这将发展为数十通道的高压阵列电源，各通道参数可通过中央控制器统一设定。
2. **视觉反馈闭环**：通过CCD相机实时监测泰勒锥形态，利用图像处理算法提取锥角、射流直径等特征，反馈至电源控制器，自动微调芯壳电压，实现闭环恒态控制。
3. **工艺配方管理**：电源系统内置存储器，可保存针对不同材料体系（如PCL/PVP、PLGA/明胶）的最优电压参数组合，操作员只需选择配方，系统自动配置芯壳电压，实现“一键式”启动。
**六、工程实践中的注意事项**
- 芯壳喷头的高压连接线应采用屏蔽电缆，并尽可能短，以减少电磁辐射和对其它电子设备的干扰。
- 喷头支架需采用绝缘材料（如聚四氟乙烯）制作，并保持清洁干燥，防止漏电。
- 两台电源的机壳应可靠接地，并与接收极接地等电位，避免形成地环路。
综上所述，同轴双射流静电纺丝制备核壳纤维的高压电源配置，已从简单的电压提供演变为对芯壳界面电场的精细调控工具。双通道独立、高精度、可协同的电源系统，是实现核壳结构稳定可控制备的核心装备。其设计与选型的优劣，直接影响核壳纤维的成品率、结构一致性及产业化前景。随着微纳纤维在高端制造领域的应用拓展，对这类特种电源的技术要求将持续提升。
