Вы думаете, что сейчас речь пойдёт про рыбалку? Три раза «ха»: есть вещи и поинтереснее рыбалки — например, вы знали, что существует оригинальный способ получения сверхтонких волокон, с задействованием электричества и высокого напряжения, носящий такое, на первый взгляд, рыбацкое название?

Если нет, то устраивайтесь поудобнее на своих электрических стульях и мы начнём погружение...

Суть процесса

Электроспиннинг представляет собой весьма эффективный способ создания сверхтонких волокон, диаметр которых может достигать даже сотен нанометров! 

Процесс этот не новый, и самый первый патент на него был зарегистрирован ещё в 1902 году, однако активное изучение и применение технология получила только в конце XX — начале XXI веков, что связано с интересом к наноматериалам в целом. 

Суть технологии заключается в практическом применении принципов электрогидродинамики, где под воздействием сильного электрического поля происходит преодоление сил поверхностного натяжения. 

В качестве объекта для такого преодоления выступают обычно растворы или расплавы полимеров. 

Система для реализации такой технологии проста: она обычно состоит из плунжерного насоса — в самом простом варианте, грубо говоря, подобного шприцу устройства, заканчивающегося небольшим соплом с иглой, а также заземлённого поддона-сборщика готовых волокон: 

Работает установка следующим образом: при подаче питающего напряжения на плунжерный насос и поддон, когда разность потенциалов начинает достигать определённой критической величины, притяжение разнородно заряженных частей, где в качестве одной из них выступает жидкая поверхность капли полимера на кончике иглы, а, в качестве другой — поверхность поддона-сборщика нитей, приводит к тому, что силы поверхностного натяжения оказываются преодолены, и это приводит ко всё большему «выпячиванию» из кончика иглы капли полимера, который всё больше и больше вытягивается в остриё, превращаясь в очень острый конус, где, на определённом моменте, напряжение электрического поля на острие оказывается настолько большим, что происходит отрыв жидкости, и из кончика конуса вылетает тонкая нить, устремляющаяся к поддону-сборщику:

Во время полёта, на струю воздействует ряд сил, связанных с растяжением струи, из-за её хаотических колебаний из стороны в сторону, под влиянием электростатических сил, а также испарения растворителя, в результате чего, струя ещё больше вытягивается (в сотни раз), становясь сверхтонким волокном.

Собственно, отсюда и берёт своё название процесс «электроспиннинг» («electrospining»), только здесь подразумевается не «вращение», а другое значение слова spin — «прясть».

При этом, не обязательно волокна должны падать на некую статическую плоскость — на практике в качестве приёмника волокон используются так называемые «коллекторы», в виде различных вращающихся барабанов, на которые сразу и наматывается волокно:

Сила тока установки не сильно важна, и достаточно даже источника тока, который может обеспечить ток до 1..2 мкА, — здесь важнее напряжение, которое обычно варьируется от 10 до 30 кВ. Оно подбирается экспериментально, для каждого конкретного раствора/расплава таким образом, чтобы уверенно образовывался конус и начинала вылетать нить. 

В качестве вытягиваемых веществ может использоваться широкий круг веществ, например, поливиниловый спирт с водой (не клей ПВА, а чистый порошок ПВА, смешанный с водой, так как добавки в клей, улучшающие его свойства (глицерин и т. д.) не дадут образовываться волокнам).

Волокно может изготавливаться не только в виде однородного «прутка», но и в виде прутков разного количества, разных свойств, вложенных один в другой, или обмотанных один вокруг другого (или смотанных друг с другом нескольких), в разных сочетаниях: где в первом случае, такой процесс называется «коаксиальным прядением» и он реализуется с помощью головки с целым рядом отверстий-фильер, в каждое отверстие которой происходит одновременная  подача разных полимеров, которые затем вытягиваются электростатическими силами в единую нить, содержащую, грубо говоря, «сердцевину и оболочку».

Модификаций процесса достаточно много, где можно назвать ещё разнообразные сочетания параллельного прядения, когда несколько рядом расположенных головок одновременно вытягивают нити с разными свойствами, которые в процессе падения на приёмник не перемешиваются между собой химически (из-за взаимного отталкивания ввиду одинакового заряда), но переплетаются механически.

Если попробовать классифицировать процессы по типам раствора, то они делятся на два главных варианта:

• вытягивание из раствора, где раствор должен содержать быстро испаряющийся растворитель и полимер, где при этом он не должен также быстро забивать головку,

• вытягивание из расплава полимера, и здесь основным позитивным фактором выступает отсутствие каких-либо растворителей, что считается более экологичным.

Качества получаемых в результате волокон очень чувствительны к множеству параметров: концентрация раствора или расплава, летучесть растворителей, молекулярная масса, окружающая температура, влажность и ряд других.

Ну и немного видео, как это выглядит:

То же самое, только смачивается стационарная проволока-электрод, от которой и отлетают волокна:

Аналог 3D печати, только струя волокон — сразу прилипает на поверхность:

Способы использования

Одним из наиболее известных применений технологии является изготовление биодеградируемых каркасов — «скаффолдов», предназначенных для имплантации.

Такие каркасы предназначены для создания структуры, на которой и происходит нарастание клеток организма, например, при масштабных ожогах. 

Из-за своей высокой пористости и площади поверхности, такие каркасы идеально подходят для прилипания к ним клеток. 

По мере регенерации ткани, из-за естественных обменных процессов организма, этот искусственный каркас начинает постепенно рассасываться, замещаясь естественным каркасом самого организма, который строят клетки. 

В качестве материалов для создания таких каркасов используются различные биосовместимые полимеры, обладающие к тому же, свойством биодеградации (рассасывания со временем). 

Все они обладают разным сроком рассасывания, и поэтому могут использоваться разные каркасы, для разных целей. 

Например, поликапролактон рассасывается достаточно медленно, вплоть до нескольких лет, что делает его хорошим материалом для лечения проблем костей, хрящей.

Ещё одним интересным применением является создание антимикробных фильтрующих тканей и фильтров, где для придания подобных свойств в раствор полимера могут добавляться серебро, медь. 

Ещё одним применением технологии является создание гибких световодов, заполненных люминоформ, который активируется с помощью подсветки такого световода с торца, например, ультрафиолетом. 

При этом, как раз и используется коаксиальная технология, где сердцевина состоит из люминофора, смешанного с полимером, а внешняя оболочка — из чистого полимера, которая защищает сердцевину от внешних негативных факторов окружающей среды.

Остаётся открытым вопрос: нельзя ли с помощью технологии электроспиннинга производить и оптические волокна, для передачи информации, используя коаксиальный тип вытягивания? Вопрос открытый…

Это не единственно возможное применение — например, таким способом можно изготавливать проводники очень малого сечения, с помощью добавления в раствор полимера углеродных нанотрубок, где при достаточно высоком их содержании, получается волокно с относительно хорошей проводимостью.

В качестве альтернативного метода для создания проводников используют прямое осаждение металла из водного раствора, где для этого волокно обезжиривается в спирте или ацетоне, а потом последовательно погружается в раствор хлорида олова, в результате чего ионы олова осаждаются на поверхности — это называется «сенсибилизацией», а затем, в хлорид палладия — называется «активацией», где, в результате последнего, поверхность покрывается микрочастичками палладия, которые в дальнейшем и послужат катализаторами для осаждения меди. 

Затем волокно погружается в раствор, состоящий из медного купороса (источник меди), формальдегида (донор электронов для восстановления меди) и лимонной кислоты (контроль скорости осаждения, предотвращение быстрого разложения раствора). 

В результате погружения волокон в такой раствор, на поверхности их откладывается единый сплошной блестящий слой меди, превращая волокна в проводник, и процесс идёт без какого-либо электролиза, то бишь без подключения какого-либо внешнего источника питания.

Ну и, наверное, самая «звезда» этого рассказа, хотя и выбивающаяся уже за пределы технологии электроспиннинга — электрогидродинамическая струйная печать!

Никак не мог об этом способе умолчать, раз уж мы затронули перетекание веществ от одной заряженной части к другой — уж очень он интересен! :-)

Интересующиеся могут найти дополнительные материалы по этому способу, под терминами ЭГД-печать, EHD-printing (ещё дополнительные термины будут ниже).

Итак, что же это такое? 

Способ базируется на схожем с электроспиннингом принципе, почему я и решил включить его в эту статью: если вдуматься, то вы поймёте, что, регулируя вязкость раствора полимера, напряжённость электрического поля, а также расстояние до заземлённого контакта, — можно добиться того, чтобы от положительного контакта отлетала не монолитная струя, а... отдельные капли! О_о

Причём, что интересно, эти капли будут очень мелкими по диаметру, и однородными по размеру: размер самих капель будет многократно меньше, чем сечение печатающего сопла, где, к примеру, сопло сечением в 100 микрон, может выбрасывать капельки диаметром в несколько сотен нанометров!!! 

Отрыв капель происходит по той же самой причине, что и при электроспиннинге — из-за притяжения двух разнородно заряженных объектов: положительно заряженных капель и отрицательно — подложки.

Теперь, если подавать короткие импульсы напряжения питания, то можно добиться того, чтобы от сопла отрывалась ровно одна капля (при текущей вязкости раствора, напряжённости поля и расстоянии до подложки).

В итоге, мы получаем идеальную печатающую головку, без каких-либо механических исполнительных устройств (наподобие пьезо-дюз, как у струйных принтеров), работающую также с отдельными капельками жидкости!

Впервые этот способ печати был открыт почти век назад, однако активное развитие начал получать с начала 2000-х годов. 

Если кто-нибудь осмелится такое собрать, то он получит просто поразительный DIY-проект, вызывающий буквально трепет… 

И нет, это не голая концепция — в сети люди собирают подобные вещи. 

Вот как выглядит концепция работы подобных принтеров, схематично (да, несколько сложнее, чем просто капли от сопла к поверхности):

А вот здесь вы сможете найти описание потрясающего образца подобного самодельного принтера, который был успешно собран и печатает вот так:

Желающие поискать дополнительные материалы по этой теме, могут погуглить по ключевым словам, continuous inkjet printer или cij-printer, cij-printing.

А ведь это очень интересная идея для собственного высокотехнологичного бизнеса: зная этот принцип, можно собрать весьма скоростной фотопринтер-широкоформатник, печатающий по стенам! О_о

И делать картины и даже муралы во всю стену зданий — на заказ!!! О_о

Головку только улучшить: изготовить фотополимерной печатью многосопельные блоки на все 4 цвета стандартной печати: C — cyan, M — magenta, Y — yellow, K — key color (Г — голубой, П — пурпурный, Ж — жёлтый, Ч — чёрный).

Многосопельные блоки позволят кардинально увеличить производительность и выбрасывать в единицу времени не 1 каплю — а сразу массив.

В качестве ультразвукового вибратора — приделать к блоку сопел мощный ультразвуковой излучатель от ультразвуковой ванны.

Получится практически бесшумная, очень скоростная система... А при ориентации на печать по стенам — ещё и сопла сгодятся даже условно гигантского сечения, даже в 1-2 мм и более! И всё будет вполне себе неплохо работать...

А можно и не только по стенам печатать... И сопла в сечении можно уменьшить... ;-)

Итак, подытоживая весь этот рассказ, можно сказать, что два заряженных объекта друг напротив друга — это не только конденсатор, но и ценный мех для ваших штанов на зиму, способ получения сверхтонкого волокна, в больших количествах, с уникальными свойствами, где, при этом, сам принцип действия, положенный в основу, допускает даже модифицирование до высокоскоростного каплеструйного принтера! 

Таким образом, вы теперь всегда сможете «намайнить себе шерсти» для холодных, долгих зимних вечеров или, может быть, вам даже захочется своего, поразительного DIY-принтера? :-) Кто знает...

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»