高速离心纺丝设备中，喷嘴作为重要组成部分，其直径、长度、弯曲角度以及弯曲方向都将直接影响纺丝射流的初始直径以及在空气中的运动轨迹。目前高速离心纺丝中常见的喷嘴直径一般为0.1～1.2 mm，改变喷嘴直径可以通过控制射流溶液的流量来改变纳米纤维的直径，而不是直接影响施加在溶液射流上的离心力。喷嘴直径的减小通常会导致纺丝溶液在喷嘴内的流量减少，从而限制纳米纤维的直径。
Xia分析了三氯化铁浓度、喷丝头转速、喷丝头直径等纺纱工艺参数对纤维形态的影响，FeCl3/PVP纤维在不同直径的喷丝头上的形态如图2-17所示。FeCl3/PVP纤维的直径随着喷丝头直径的减小而变小，且煅烧后获得的中空Fe2 O3纤维的形态也不同。喷嘴的直径为0.25 mm时，无法制备具有中空结构的完整的连续纤维。煅烧后直径较大的FeCl3/PVP纤维的中空面积大，中空的Fe2 O3纤维的强度降低，连续的中空结构较难形成。当喷嘴的直径分别为0.21 mm和0.16 mm时，可以获得连续的空心Fe2 O3纤维。用0.16 mm喷丝头制造的Fe2 O3纤维的直径比通过0.21 mm喷丝头制造的更细。
图2-17 在转速为5500 r/min时，选用13%的FeCl3/PVP纤维在不同喷嘴直径的情况下，制备的FeCl3/PVP复合纤维和中空Fe2 O3纤维的纤维图和直径分布
Lu采用3个喷嘴直径分别为0.4 mm、0.8 mm和1.0 mm的喷丝器，研究纤维形态与喷嘴直径的关系。所得纳米纤维直径分布如图2-18所示。当喷嘴直径从1.0nm、0.8nm0.4mm逐渐减小时，平均纤维直径由895nm、807nm减小到665nm。
图2-18 转速为4000 r/min，收集距离为10 cm时，将14%聚丙烯腈纺丝溶液通过不同喷嘴直径时聚丙烯腈纳米纤维的直径分布
这些实验和数据表明，喷嘴的直径是离心纺丝制备超细纤维的重要影响因素，喷嘴直径越细制备的纳米纤维直径越细。喷嘴的长度对纳米纤维的影响将在后续的实验中得到深入的研究。
2.喷嘴弯曲方向与弯曲角度
喷嘴的弯曲方向与弯曲角度直接决定纺丝溶液的流出状态以及纺丝射流的初始直径等问题，目前的研究重点是确定是否存在最佳出口角度使得纺丝射流初始直径与纳米纤维的最终直径可以最小化。在高速离心纺丝过程中，由于纺丝溶液黏滞力与表面张力的作用，纺丝溶液从喷嘴中喷射时经常出现挤出膨胀现象，通过改变喷嘴的弯曲方向有助于消除该现象并减小纺丝射流的初始直径，同时改变喷嘴的弯曲角度可以使得纺丝溶液在喷嘴内的运动更加顺滑，减小纺丝溶液与喷嘴内壁间的压力与摩擦力，有助于减小纳米纤维的平均直径，改善纳米纤维的均匀程度。在使用普通单轴喷嘴进行纳米纤维制备时，纺丝溶液在喷嘴处的形态如图2-19所示。(www.xing528.com)
Padron等人对高速离心纺丝过程中喷嘴的弯曲方向与弯曲角度对纺丝射流路径以及纳米纤维形态的影响做了初步研究，并提出在其他工艺参数不变的情况下，纺丝射流的初始直径取决于纺丝射流与喷嘴出口间的接触曲率。为了探究其中的关系，他们通过以质量分数为6%的聚氧化乙烯溶液为纺丝原料在转速6000 r/min时利用具有不同出口角度的喷嘴进行高速离心纺丝，进而观察纺丝射流的初始直径以及纳米纤维直径的相应变化，喷嘴角度与纺丝射流初始直径如图2-20所示。
图2-19 纺丝溶液在喷嘴处的形态
图2-20 不同喷嘴角度的纺丝射流初始直径
实验研究表明，喷嘴的弯曲方向以及弯曲角度将会影响纳米纤维的最终平均直径与射流直径，纳米纤维直径与喷嘴间的关系如表2-3所示。当喷嘴的弯曲方向由与角速度反向逐渐变为与角速度同向时，纳米纤维的直径将逐渐减小，同时，喷嘴的弯曲角度越接近直角，纳米纤维的平均直径越小。
表2-3 转速为6000 r/min时不同喷嘴形状制备的聚氧化乙烯纳米纤维平均直径
续表
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