高速相机助力静电纺丝纤维结构精准调控

01 实验背景

静电纺丝是制备高性能空气过滤纤维膜的核心技术之一。在双峰纤维（粗细纤维并存）的制备过程中，射流在高电压作用下的分裂行为直接决定了纤维的直径分布，进而影响过滤效率与压降。

然而，射流分裂发生在毫秒级时间尺度内，传统观测手段无法捕捉其瞬态行为，导致纤维结构调控长期依赖“试错法”。

既有研究多通过最终SEM图像反推射流行为，缺乏对射流形态演化、主射流与次级射流形成时机、分裂程度与工艺参数的定量关联的直接证据，制约了双峰纤维的理性设计与产业化推广。

深视智能SH6-109-M-40-12T高速相机被引入该研究，作为核心观测设备，对电纺射流行为进行连续高速成像，为纤维结构调控提供可视化依据。相关研究成果刊登在国际期刊《Separation and Purification Technology》。

02 实验方法

科研团队搭建了包含静电纺丝装置（ET-2535x）、高压电源、溶液注射系统、旋转滚筒接收装置以及高速摄像系统在内的综合实验平台。核心装置为深视智能自研的高速相机SH6-109-M-40-12T，分辨率1280×1024，最高帧率9500fps。

实验中，深视智能高速相机对不同溶液浓度（6~14 wt%）及不同电压（20 kV / 32 kV）下的电纺射流形态进行连续记录，并与纺丝时间、溶液流量等工艺参数实现对应，确保射流行为与最终纤维直径分布之间的严格关联。

2.2 实验过程

实验共设计多组工况，通过调控溶液浓度（6 wt%、8 wt%、10 wt%、12 wt%、14 wt%）及施加电压（20 kV、32 kV），系统研究工艺参数对射流分裂行为及纤维直径分布的影响。

实验采用扫描电子显微镜（SEM）对纤维网进行形貌观测，通过ImageJ软件测量纤维直径分布，并结合高速相机捕获的射流行为，建立“射流模式 → 纤维分布”的映射关系。

 
03 实验数据

3.1 高速相机捕捉电纺射流分裂演化瞬态过程

深视智能SH6-109-M-40-12T高速相机捕获的射流演化过程为双峰纤维形成机制提供了具有高时间分辨率的图像序列证据，助力研究人员对射流分裂行为进行可视化解析。

射流图像涵盖了不同溶液浓度与电压条件下的多组典型实验结果，如下图所示。 

3.2 高速相机助力工艺参数对纤维分布的定量分析

在施加条件下，由浓度为6–14wt%的前驱液制备的电纺纤维网的SEM图像及纤维直径分布（原论文Fig. 2）

上述两种模式在各工况下均可观测到，仅分裂程度与次级射流数量存在差异。

因此，深视智能高速相机不仅揭示了射流分裂的阶段性特征，更建立了工艺参数→ 射流模式 → 纤维分布之间的直接联系，为双峰纤维的精准调控提供了直接图像证据。

3.3 双峰纤维过滤性能响应特征

基于上述工艺优化，研究团队进一步制备出不同结构的双峰纤维网，并测试其过滤性能，结果表明下图所示。

在最优结构下（粗纤维800 nm、细纤维400 nm、厚度0.123 mm），过滤效率达99.974%，压降仅54.4 Pa，通过计算得到品质因子QF = − ln(1 − η) /ΔP=0.152 Pa⁻¹，与理论预测高度吻合。

04 实验结论

本研究通过融合高速摄像实验与多参数耦合分析，揭示了静电纺丝射流分裂行为与双峰纤维形成之间的内在联系：

1.  使用深视智能高速相机SH6-109-M-40-12T可完整记录电纺射流从单股稳定态到分裂形成次级射流的演化过程，清晰揭示主射流保持粗径、次级射流形成细径的双峰纤维形成机制，构建了“工艺参数 → 射流模式 → 纤维分布”的原始图像证据链。

2.  射流分裂程度随溶液浓度升高而加剧，在20 kV、14 wt%条件下双峰指数R达到2.99；而在32 kV强电场下，分裂行为被抑制，仅在极端浓度下出现双峰特征。

3.  基于高速相机观测结果指导的纤维结构优化，成功制备出过滤效率>99.97%、压降<55 Pa、品质因子0.152 Pa⁻¹的高性能双峰纤维网。

当毫秒级射流分裂行为被清晰捕获，困扰已久的“看不清”问题便迎刃而解，正推动高速相机在更广泛的应用在科研与工业场景中。

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