電場均勻性對三孔和三針頭靜電紡絲的影響

劉學(xué)凱，曾泳春

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

靜電紡絲是一種聚合物溶液或熔體在外加電場的作用下，連續(xù)生產(chǎn)納米纖維的技術(shù)[1].近年來隨著納米技術(shù)的發(fā)展，特別是在20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[2]對靜電紡絲過程及應(yīng)用展開了深入研究后，各國科研界和工業(yè)界都對此技術(shù)表現(xiàn)出了極大的興趣，使靜電紡絲技術(shù)獲得快速的發(fā)展.

靜電紡絲在外加電場力的作用下拉伸成絲，所紡納米纖維質(zhì)量與電場分布有密切的關(guān)系.文獻(xiàn)[3]研究得出靜電紡纖維最小直徑不僅與溶液的性質(zhì)有關(guān)，還與電場分布有關(guān)，均勻的電場分布，有利于紡出直徑小的纖維.通過對帶有輔助電極且紡絲孔呈正多邊形分布的多針頭靜電紡絲裝置研究，文獻(xiàn)[4]得出帶有輔助電極的靜電紡絲裝置能夠生產(chǎn)出直徑小的纖維，這是由于帶有輔助電極的靜電紡絲裝置的電場分布更加均勻，以及紡絲區(qū)域的平均電場強(qiáng)度更大.文獻(xiàn)[5]通過對多針頭與單針頭靜電紡絲電場強(qiáng)度對比發(fā)現(xiàn)，由于針頭之間的相互影響，多針頭紡絲裝置針頭處的電場強(qiáng)度顯著低于單針頭.文獻(xiàn)[6]研究了單針頭靜電紡絲和平面噴絲頭靜電紡絲，得出了平面噴頭所紡的纖維直徑小且均勻度好，且通過模擬得出平面噴頭的電場分布比單針頭的電場分布更加均勻.

由于單針頭靜電紡絲的生產(chǎn)率很低，因此，不少研究者[7－8]以多針頭為研究對象探討靜電紡絲的規(guī)模化生產(chǎn).但多針頭靜電紡絲有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：針頭處電場不均勻和射流之間相互作用，這兩個(gè)缺點(diǎn)造成多針頭靜電紡絲過程不穩(wěn)定且纖維網(wǎng)接收困難.

為了獲得均勻電場，本文設(shè)計(jì)了一種以孔代替針頭的三孔靜電紡絲裝置，采用試驗(yàn)和模擬的方法對三針頭和三孔靜電紡絲進(jìn)行比較，分析了電場分布均勻性對纖維直徑及均勻性的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

聚氧化乙烯（PEO），相對分子質(zhì)量為600 000，美國Sigma-Aldrich公司；試驗(yàn)用蒸餾水.將PEO和蒸餾水倒入三頸瓶中，然后將三頸瓶置于溫度恒為40℃的水浴鍋中，在冷凝回流情況下攪拌5h，配制成PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的均勻溶液.

1.2 試驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)了一種按等邊三角形排布的三孔靜電紡絲裝置，其空間結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1（a）為裝置簡圖，噴絲頭為帶孔的聚四氟乙烯板，它和一個(gè)帶孔的鋁塊形成貯液腔，鋁塊同時(shí)作為電極與高壓靜電發(fā)生器（北京機(jī)電研究院電壓技術(shù)公司）的正極相連.由聚四氟乙烯管將注射器與噴絲頭連接，在微量注射泵（Cole-Parmer Instrument Company）的作用下，使得溶液在噴絲孔處形成液滴.圖1（b）為孔的排布，孔距為1.73cm.

本文同時(shí)采用三針頭靜電紡絲裝置進(jìn)行比較.在三針頭靜電紡絲裝置中，針頭長為3cm，針的內(nèi)徑為0.5mm，與高壓靜電發(fā)生裝置的正極相連接.針頭分布與三孔噴絲頭的孔的分布相同，如圖1（c）所示.

圖1 靜電紡絲裝置圖Fig.1 The equipment of electrospinning

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

1.3.1 不同紡絲流量下的纖維直徑

兩種靜電紡絲裝置采用相同的工藝參數(shù)：紡絲電壓均為20.5kV，紡絲距離均為20cm，紡絲流量為每孔（每針）0.4，0.5，0.6，0.8mL／h.所紡纖維掃描電鏡（SEM）圖分別如圖2和3所示，所測纖維的平均直徑如圖4所示.

圖2 三孔靜電紡絲裝置在不同紡絲流量下所紡纖維的SEM圖Fig.2 SEM photos of the fibers at different flow rates with three-hole electrospinning equipment

圖3 三針頭靜電紡絲裝置在不同紡絲流量下所紡纖維的SEM圖Fig.3 SEM photos of the fibers at different flow rates with three-needle electrospinning equipment

圖4 紡絲流量對纖維直徑的影響Fig.4 Effect of flow rate on fiber diameter

由圖2和3可以看出，在紡絲電壓和紡絲距離不變，只改變紡絲流量的條件下，三孔和三針頭靜電紡絲裝置均能紡得形態(tài)均勻且無串珠的纖維.由圖4可以看出，三孔靜電紡絲裝置所紡的纖維直徑在4種紡絲流量下都比三針頭靜電裝置小，且纖維直徑標(biāo)準(zhǔn)差小.

隨著紡絲流量的增加，兩種紡絲裝置所得的纖維直徑都呈現(xiàn)出增大的趨勢.這主要是由于隨著紡絲流量的增加，聚合物的供應(yīng)量增多；此外流速增加使得電荷密度減小，電場力減小.

1.3.2 不同紡絲距離下的纖維直徑

兩種靜電紡絲裝置采用相同的工藝參數(shù)：紡絲電壓均為20.5kV，紡絲流量為每孔（每針）0.6 mL／h，紡絲距離為20.0，22.0，24.5，26.0cm.所紡纖維SEM圖分別如圖5和6所示，所測纖維的平均直徑如圖7所示.

圖5 三孔靜電紡絲裝置在不同紡絲距離下所紡纖維的 SEM圖Fig.5 SEM photos of the fibers at different collecting distances with three-hole electrospinning equipment

圖6 三針頭靜電紡絲裝置在紡絲距離下所紡纖維的 SEM圖Fig.6 SEM photos of the fibers at different collecting distances with three-needle electrospinning equipment

圖7 紡絲距離對纖維直徑的影響Fig.7 Effect of collecting distance on fiber diameter

由圖5和6可以看出，在紡絲電壓和紡絲流量不變，只改變紡絲距離的條件下，三孔和三針頭靜電紡絲裝置均能紡得形態(tài)均勻且無串珠的纖維.由圖7可以看出，三孔靜電紡絲裝置所紡的纖維直徑都比三針頭靜電紡絲裝置的小且均勻，纖維直徑標(biāo)準(zhǔn)差小.

隨著紡絲距離的增加，纖維直徑都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.這主要是由于紡絲距離的增加，一方面使得纖維拉伸的距離變長和鞭動(dòng)區(qū)域增加，從而有利于纖維直徑的減??；另一方面紡絲電壓不變的條件下，電場強(qiáng)度減小，紡絲射流受到的拉伸力減小，不利于纖維的拉伸變細(xì).紡絲距離對纖維直徑的影響是拉伸距離增加和電場強(qiáng)度減弱相抗衡的結(jié)果，從而對纖維的影響是復(fù)雜的.

1.3.3 不同外加電壓下的纖維直徑

兩種靜電紡絲裝置采用相同的工藝參數(shù)：紡絲距離為20cm，紡絲流量為每孔（每針）0.6mL／h，電壓為18.0，20.5，23.0，25.5kV.所紡纖維SEM圖分別如圖8和9所示，所測纖維的平均直徑如圖10所示.

圖8 三孔靜電紡絲裝置在不同外加電壓所得纖維的SEM圖Fig.8 SEM photos of the fibers at different applied voltages with three-hole electrospinning equipment

圖9 三針頭靜電紡絲裝置在不同外加電壓所得纖維的SEM圖Fig.9 SEM photos of the fibers at different applied voltages with three-needle electrospinning equipment

圖10 紡絲電壓對纖維直徑的影響Fig.10 Effect of applied voltage on fiber diameter

由圖10可以看出，在不同紡絲電壓下三孔靜電紡絲裝置所紡的纖維直徑都比三針頭靜電紡絲裝置的小且均勻，纖維直徑標(biāo)準(zhǔn)差小.

隨著紡絲電壓的增加，兩種紡絲裝置所紡纖維的直徑表現(xiàn)出不同的變化趨勢.三孔紡絲裝置所紡纖維的直徑呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，而三針頭變化趨勢更為復(fù)雜.這是由于電壓的增加對聚合物質(zhì)量和射流拉伸都有影響.當(dāng)聚合物質(zhì)量為主導(dǎo)時(shí)，將會(huì)使所紡纖維的直徑隨電壓升高而變粗；當(dāng)對射流的拉伸為主導(dǎo)時(shí)，電壓的增加將會(huì)使所紡纖維直徑減小.由于尖端效應(yīng)使得三針頭處的電場強(qiáng)度及其電場強(qiáng)度的變化要大于三孔的，所以電壓對三針頭靜電紡絲的影響更加復(fù)雜.由圖8和9可以看出，只在圖9（d）工藝條件下，即紡絲電壓為25.5kV的條件下，纖維出現(xiàn)明顯的粘連現(xiàn)象，在其他工藝條件下均能紡得形態(tài)均勻且無串珠的纖維.這主要是由于在25.5kV工藝條件下，20cm的紡絲距離過短，溶劑未能完全揮發(fā)纖維就到達(dá)接收板，使得纖維相互粘連在一起，影響了纖維氈的性能.

2 電場的數(shù)值模擬

為了探討電場分布對靜電紡絲的影響，本文采用Maxwell軟件對三孔和三針頭靜電紡絲裝置的電場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，如圖11建立模型.噴絲頭在xOy平面內(nèi)，模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)椋?50mm≤x≤150mm，－150mm≤y≤150mm，0≤z≤200mm，邊界設(shè)為無窮遠(yuǎn)邊界條件.在模擬中本文在正常紡絲工藝條件下，選取1.3.2節(jié)中電壓為20.5kV，紡絲距離為20cm的對比試驗(yàn)做場強(qiáng)分析，因?yàn)樵谠摋l件下做的大量紡絲試驗(yàn)，所得纖維的形態(tài)均勻且無串珠.

圖11 兩種靜電紡絲裝置三維模型Fig.11 3Dmodels of two kinds of electrospinning setups

圖12 兩種靜電紡絲裝置電場強(qiáng)度矢量圖Fig.12 Electric field vector diagrams of two kinds of electrospinning setups

圖13 電場強(qiáng)度分布規(guī)律對比圖Fig.13 Comparison of the electric field strength distribution

圖13所示為兩種靜電紡絲裝置不同位置處的電場強(qiáng)度分布規(guī)律對比圖，能更清楚地表明三孔靜電紡絲裝置的電場比三針頭靜電紡絲裝置的電場均勻.比較圖13（a）和13（b），可以看出在靠近噴絲頭處（即z＝1mm），在噴絲孔和針頭位置（y＝10 mm），噴絲孔處的電場強(qiáng)度呈現(xiàn)微小的波動(dòng)，而針頭處的電場強(qiáng)度非常大；三針頭裝置的電場強(qiáng)度先達(dá)到最大后急劇減小，而三孔裝置電場強(qiáng)度的最大值比三針頭小，但衰減平緩得多.圖13（c）為噴孔和針頭處電場強(qiáng)度沿z軸方向的分布圖，可以看出，當(dāng)離噴絲頭距離達(dá)到約5mm以后，三孔靜電紡絲的電場強(qiáng)度大于三針頭的電場強(qiáng)度.三孔靜電紡絲裝置的場強(qiáng)在整個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)小.由以上分析可得出，三孔靜電紡絲裝置電場的均勻性好于三針頭裝置，且在鞭動(dòng)區(qū)域（z＞5mm）的電場強(qiáng)度高于三針頭裝置，說明纖維在鞭動(dòng)區(qū)域所受的拉伸力大.

為了進(jìn)一步比較本文所用的兩種靜電紡絲裝置電場的均勻程度，引入?yún)?shù)f＝Emax／Eav，其中，Emax為最大電場強(qiáng)度，Eav為平均電場強(qiáng)度.根據(jù)所得纖維氈的面積（最大直徑小于150mm），所取的平均電場強(qiáng)度為－100mm≤x≤100mm，－100mm≤y≤100mm，0≤z≤200mm區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度的算術(shù)平均值，f值越小表明電場越均勻.結(jié)果如表1所示，從表1可知，在紡絲區(qū)域內(nèi)，三孔紡絲裝置中的平均電場強(qiáng)度略大于三針頭靜電紡絲，而且其電場分布更加均勻.

表1 三孔和三針頭紡絲裝置電場強(qiáng)度對照Table 1 Comparison of the electric field in three-hole and three-needle electrospinning setups

靜電紡絲中，紡絲溶液在電場力作用下克服液滴表面張力從“泰勒錐”中噴出，在噴射過程中被快速拉伸成絲.根據(jù)模擬結(jié)果可知，三孔靜電紡絲裝置所形成的電場更加均勻，紡絲區(qū)域特別是纖維鞭動(dòng)區(qū)域的平均電場強(qiáng)度大，纖維所受拉伸力大，從而能夠形成更細(xì)、更均勻的纖維.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種以孔代替針頭的三孔靜電紡絲裝置，與傳統(tǒng)三針頭靜電紡絲裝置進(jìn)行對比，采用聚氧化乙烯（PEO）為原料，分別設(shè)計(jì)在不同紡絲電壓、紡絲距離和紡絲流量參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)用Maxwell軟件模擬紡絲裝置中的電場分布.用試驗(yàn)和模擬的方法研究電場分布對靜電紡絲纖維直徑及其均勻性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在相同的工藝條件下進(jìn)行靜電紡絲對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示三孔靜電紡絲裝置所得的纖維平均直徑小，纖維的均勻性好；

（2）電場模擬結(jié)果顯示除在靠近噴絲頭處，三孔靜電紡絲裝置的電場強(qiáng)度均較大，通過計(jì)算得出，三孔紡絲裝置的平均電場強(qiáng)度略大于三針頭紡絲裝置，其電場分布更加均勻.

參 考 文 獻(xiàn)

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