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第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响刘延波和星雨郝 铭胡晓东杨 波(.武汉纺织大学.纺织科学与工程学院.省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室武汉 .天津工业大学纺织科学与工程学院天津)摘 要:传统的规模化静电纺丝技术存在所需电压高、场强不均和边缘效应等问题导致纺丝质量不佳难以规模化制备纳米纤维 因此提出一种新型的阵列圆盘式无针头设备使用 软件进行三维建模然后将模型导入 .有限元仿真软件进行模拟优化新型纺丝头的结构参数、接收距离、外加电压以得到最佳的电场强度和匀场效果 结果表明:当新型纺丝头圆盘数量为、圆盘间距为、圆盘外径为 、接收距离为 、电压为 时电场强度平均值为.值为.表明该纺丝头结构有效克服了边缘效应并降低纺丝所需电压 所得纺丝装置模型在纺丝口处的电场强度较高且分布均匀可批量制备高质量的纳米纤维关键词:静电纺丝阵列圆盘式纺丝头电场强度有限元分析中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络出版日期:基金项目:国家自然科学基金项目()“武汉英才”湖北省武汉市高层次人才项目(武财行)作者简介:刘延波()女吉林农安人教授博士主要从事静电纺丝技术与原理方面的研究通信作者:杨波:.纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率以及较好的力学性能等特点被广泛用于空气过滤、油水分离、组织工程、药物输送等领域是目前研究热点之一 静电纺丝技术是制备纳米纤维最简单、高效的一种方法目前使用静电纺丝方法批量制备纳米纤维主要有两种技术:多针头静电纺丝技术和无针头静电纺丝技术 其中多针头静电纺丝技术主要有以 等为代表的直线型阵列、以郭文利等为代表的正六边形阵列和以 等为代表的圆形和椭圆形阵列的多针头静电纺丝 直线型多针头静电纺丝具有喂液可控和可持续稳定纺丝的优点但是根据电场叠加原理可知多个纺丝针头之间产生库伦排斥力会导致出现中间场强低两边场强高的现象即边缘效应 郭文利等和 等提出的圆形阵列和正六边形阵列多针头静电纺丝虽然通过改变针头位置来减弱边缘效应但并没有完全消除 无针头静电纺丝技术主要以捷克 公司研究的第一代“纳米蜘蛛”滚筒式静电喷丝头为代表的静电纺丝技术其供液方式为开放式供液当纺丝头旋转到溶液槽中液体黏附在纺丝头表面从而产生射流 同时无针头式喷丝头具有设计简单、产量高、通量大等优点 然而由于开放式储液器通常具有相对较大的自由液体表面所以溶剂易挥发也难以精准控制射流的均匀发射且需要施加较高的电压才能激发射流能耗较大本文主要设计一种集合有针和无针式静电纺丝的优点的新型纺丝头由带有交错排列纺丝孔的线性阵列式小圆盘组成 喷丝孔交错排列避免相邻喷丝孔相互干扰使得制备纳米纤维更均匀 进一步通过优化纺丝头结构参数(圆盘数量、圆盘间距、圆盘外径、中心轴直径、辅助电极)以及纺丝工艺参数来调控纺丝电场分布情况 使用.软件模拟了在不同参数调整下的纺丝模型探究场强和电势大小在纺丝口处的分布情况最终得到一个场强较高且场强分布均匀的纺丝头 静电场理论分析麦克斯韦方程组是电磁场的基础也是静电纺丝体系中直流高压电场有限元分析的依据.静电场有限元模拟遵循泊松方程:()式中:和 分别为真空介电常数和介质的相对介电常数 和 分别为空间电荷密度和电势能 在边界条件设定中根据式()对各边界条件进行约束 ()式中:为界面的法向量 为面电荷密度本文中空间电荷密度 为 圆盘和中间的圆柱采用 其相对介电常数为 静电纺丝模型中空气模型的六个面的边界条件为零电荷对称因此其对应的公式应为:()当 时即两种介质分界面上没有自由电荷分布.软件模拟时对应的边界条件为连续基于以上原理通过 .软件进行静电场模拟可以得到静电纺丝过程中场强大小和分布情况 建模与模拟在三维建模软件 中建立模型将其导入 有限元仿真模拟软件中进行静电场的模拟 建立的模型的样品图片如图 所示由图 可知整个装置由一根空心圆柱以及 个(或者偶数个)中间空心的圆盘组成 纺丝液从圆柱两端进入流入圆盘下端喷丝孔处受到高压电压的加持形成纺丝射流 圆盘一侧的喷丝孔放大图如图 所示图 阵列圆盘式喷嘴及无针头静电纺丝设备.图 纺丝头结构示意.在图 中清晰地看到喷丝孔排列方式不在同一水平线 装置水平放置时相邻喷丝孔之间的夹角为 喷丝孔与铅垂线的角度为 因此可以避免喷丝孔之间的相互影响 此外由于圆盘数量越多各个纺丝孔处受到库仑斥力产生叠加越靠外的纺丝头受到的库仑斥力总和就越大场强越大中间位置的纺丝孔场强越小所以最外侧的圆盘上面不设置纺丝孔将最外侧两个圆盘当作辅助电极来减弱边缘效应产出更均匀的纳米纤维膜采用三维建模软件 建立仿真模型并导入 .中进行仿真模拟简易的静电纺装置如图 所示由圆盘式喷嘴、收集第 期刘延波 等:阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响器和空气域构成 其中圆盘式喷嘴由圆盘、空心轴和喷丝头组成纺丝喷嘴距收集器距离为 喷嘴和收集器位于空气域的正中心位置设计控制变量实验从圆盘数量、圆盘外径、圆盘间距、中心轴直径、辅助电极、接收距离、和施加电压 个方面研究对静电纺丝过程中电场分布的影响 在其他条件不变的情况下只改变单因素的量使用 .仿真软件模拟导出电场强度具体数值进行分析 模型参数如表 表 模型参数设置.组别圆盘数量 个圆盘间距 圆盘外径 中心轴直径 外加电压 接收距离、将不同参数模型导入有限元仿真模拟软件.对静电纺丝过程中形成的电场分布进行模拟分析纺丝头结构静电纺丝体系模型包括喷丝头、接收板和空气域三部分三维模型和接收板部分定义的材料为 该材料的电导率为.热膨胀系数为.空气部分定义的材料则是 其电导率为 模拟步骤为:)将建立好的静电纺丝模型导入.有限元分析软件中)定义静电纺丝设备材料属性)对模型进行网格划分)设定无限远边界)施加载荷)求解)后处理 结果与分析.阵列圆盘式喷孔结构对纺丝头场强分布的影响.辅助电极对场强分布的影响使用 .仿真软件对两侧圆盘是否充当辅助电极的纺丝头进行模拟计算可获得纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小图()为不加辅助电极和增加辅助电极的纺丝头电场云图纺丝位点的电场强度平均值和 值如图()所示图 辅助电极对场强和 值的影响.现代纺织技术第 卷 由图()所示加辅助电极电场云图整体颜色均匀度相比于不加辅助电极较为均匀这是由于圆盘之间存在相斥库伦力导致边缘处圆盘电场强度比中部圆盘电场强度高圆盘数量越多边缘效应愈加显著 由图()可知加辅助电极场强变化较小但 值差别显著 不加辅助电极时场强值为.值为.加辅助电极时场强值为.值为.因此可得边缘两侧圆盘充当辅助电极对电场均匀性影响显著使电场分布更加均匀适合纺丝.圆盘数量对场强分布的影响使用 .仿真软件对不同圆盘数量的纺丝头进行模拟计算可获得不同圆盘数量纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小纺丝头电场云图可以直观看到电场强度变化纺丝头颜色越靠近红色场强越高 图 为圆盘数量是、的电场云图纺丝位点的电场强度平均值和 值如图 所示图 不同圆盘数量的纺丝头的电场云图.图 圆盘数量对场强和 值的影响.如图 所示随着圆盘数量的减少圆盘边缘颜色越靠近红色 由此可知随着圆盘数量的增加电场强度逐渐减小 由于纺丝头为中心对称图形所以施加电压时产生感应电荷也对称由于静电纺丝过程中会在喷丝孔下面形成泰勒锥因此需研究喷丝孔下端 处坐标的电场强度分布情况 从图 可知随着圆盘数量的增加纺丝头平均场强随之减小纺丝头的场强均匀性也随之变化 当圆盘数量为 时 值为.场强平均值最大为 虽然这种情况下纺丝头的场强最大但由于场强 值相对而言最大易产生不稳定的射流会直接影响纤维质量 综合来看圆盘数量为 时场强 值较小为.且场强平均值相对较大为.该圆盘数量更适合纺丝.圆盘间距对场强分布的影响使用 .仿真软件对不同圆盘间距的纺丝头进行模拟计算可获得不同圆盘间距纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小 图 为圆盘间距是、的电场云图纺丝位点的电场强度平均值和 值如图 所示由图 可知随着圆盘间距的增加不同圆盘边缘的颜色差在减弱颜色均匀表明场强分布均匀由此可得间距越大场强分布越均匀在其他条件不变的情况下根据电场叠加原理可知相邻圆盘之间存在互相排斥的库伦斥力当圆盘间距越大时电场干扰会越小因此圆盘上喷丝孔附近的电场分布越第 期刘延波 等:阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响图 不同圆盘间距的纺丝头的电场云图.均匀 从图 可知圆盘间距对电场均匀性的影响较大 当圆盘间距增大时喷丝孔处电场强度随之增大且 值不断减小但圆盘间距增大到一定数值时电场强度增长幅度和 值减小幅度都在变小当圆盘间距为 此时纺丝位点平均场强最大为.且 最小为.可见增加圆盘间距是提高场强均匀性最高效的方式但间距过大会导致射流相隔较远收集装置收集的纤维相隔较远不利于纤维成网容易出现中间厚两边薄的纤维网 因此当圆盘间距为 时场强平均值较高为.且 值相对较小为 纺丝效果更好.圆盘外径对场强分布的影响使用 .仿真软件对不同圆盘外径的纺丝头进行模拟计算可获得不同圆盘外径纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小图 为圆盘外径是、的电场云图纺丝位点的电场强度平均值和 值如图 所示图 圆盘间距对场强和 值的影响.图 不同圆盘外径的电场云图.现代纺织技术第 卷图 圆盘外径对场强和 值的影响.由图 可知随着圆盘外径的增加圆盘边缘红色区域减小电场强度逐渐减小 在物理学中导体表面曲率越大导体表面电荷密度越大场强越大 由于在其他条件不变的情况下随着圆盘外径增加圆盘曲率随之减小所以随着圆盘外径的增加场强随之减小 从图 可知随着圆盘外径的增加场强平均值随之减少 值随之增加 但场强值和 值变化范围较小所以圆盘外径对场强平均值和 值的影响较小 综合来看当圆盘外径为 时场强值最大为.值最小为.最适合纺丝.中心轴直径对场强分布的影响使用 .仿真软件对不同中心轴直径的纺丝头进行模拟计算可获得不同中心轴直径纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小 图 为中心轴直径是、的电场云图纺丝位点的电场强度平均值和 值如图 所示图 不同中心轴直径的电场云图.由图 可知随着中心轴直径的增加圆盘边缘红色区域减小电场强度逐渐减小 由于在其他条件不变的情况下随着中心轴直径的增加纺丝头整体体积在变大中心轴也占据一部分电荷 因此随着中心轴直径的增加场强随之减小 从图 可知随着中心轴直径的增加场强平均值和 值随之减小但 值下降幅度小说明中心轴直径的变化对电场分布均匀性影响较小 当中心轴直径为 时纺丝位点平均场强最大值为.但其 值也是最大值为.纺丝均匀性较差因此综合考虑选择中心轴直径为 的纺丝头其电场强度较大值为.值为.较为适合纺丝图 中心轴直径对场强和 值的影响.第 期刘延波 等:阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响.纺丝工艺参数对纺丝头场强分布的影响.施加电压对场强分布的影响在静电纺丝过程中当电场库伦斥力大于表面张力时才能激发射流在电场力的作用下进行牵伸形成纤维 因此外加电压在静电纺丝过程中对电场分布的影响十分重要图 为施加不同电压条件下纺丝位点的场强平均值和 值变化趋势图 外加电压对场强和 值的影响.由图 可知纺丝位点电场强度随着外加电压的增加呈增长趋势增长规律相同 适当的增高电压不仅可以提高纤维产率而且有利于纤维成型以及细化 但是电压过高会使射流量变大射流速度过快导致射流不能及时拉伸分裂从而使纤维直径变大甚至导致串珠纳米纤维 而且高电压容易引起空气击穿十分不安全 所以需选择合适的电压才能生产高质量纳米纤维 从图 可以看出电压对电场强度的平均值影响较大随着电压的增加电场强度也同幅度地增加电压对静电纺丝过程中电场均匀性影响几乎没有 值没有变化 因此综合来看当电压为 时场强较大值为 值为.纺丝参数最佳.接收距离对场强分布的影响纺丝头与收集装置之间的工作距离决定了电场强度的大小和射流沉积到收集板上的不稳定阶段 需要相对较长的距离来确保射流的完全延伸和凝固从而形成固体纤维 一般来说随着距离的增加会形成更细的纤维 当喷丝头尖端与收集装置之间的距离过长电场强度会导致场强过低液滴不会产生射流容易引发纺丝头堵塞 不同接收距离条件下纺丝位点的场强平均值和 值如图 所示图 接收距离对场强和 值的影响.由图 可知喷丝孔位点的电场强度的大小随着接收距离的增大而减小 在物理学中根据电场强度公式 可知两点间的电压一定的情况下接收距离越大电场强度就越小 从图 可以看出随着接收距离的增加场强平均值也逐渐减小接收距离的变化对纺丝位点场强分布均匀性的影响不显著 当接收距离为 时场强最高场强值为.值为.电场均匀性好适合纺丝 在实际的纺丝过程中接收距离还需结合实际的聚合物溶液的性质和外加电压来确定不能靠一味地缩短接收距离来提高电场强度如果接收距离小导致溶剂挥发不完全射流牵伸不充分纤维不能很好地固化成型 同时接收距离的缩短也会使“鞭动”不稳定区域变小而鞭动过程会使纺丝射流发生劈裂而降低纤维直径 因此接收距离过大时生产的纤维直径也会变粗与文献结论相一致 结 论通过阵列圆盘式纺丝头结构设计对其场强的有限元模拟结论如下:)在其他条件一定的情况下圆盘充当辅助电极对电场均匀性影响显著随着圆盘数量的增加纺丝位点场强值与 值随之减少随着圆盘间距增加场强逐渐增加 值显著减小随着圆盘外径增加场强逐渐减小 值变化较小随着中心轴直径增加场强随之减小电场均匀性无显著变化外加电压与接收距离对场强值影响较大)经多组模型对比研究发现圆盘数量为 个、圆盘间距为 、圆盘外径为 、中心轴直径为 、接收距离为 电压为 现代纺织技术第 卷时电场强度平均值为.值为 纺丝位点的电场强度较高且分布极其均匀消除了边缘效应 实际静电纺丝时外加电压与接收距离则结合静电纺丝情况择优使用参考文献:苏芳芳经渊宋立新等.我国静电纺丝领域研究现状及其热点:基于 数据库的可视化文献计量分析.东华大学学报(自然科学版):.:.:.():.:.:.:.():.郭文利任晓龙陈江义.多针头静电纺丝电场分布改善及仿真分析 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