孔板式電極無針頭靜電紡絲系統(tǒng)模擬

季 驥，李建軍，王麗秋

（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

孔板式電極無針頭靜電紡絲系統(tǒng)模擬

季 驥，李建軍*，王麗秋

（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

采用孔板式電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)針頭，用Maxwell軟件模擬靜電紡絲裝置的靜電場分布，考察了孔板電極尺寸、厚度及孔間距等因素的影響。模擬結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的針頭式電極系統(tǒng)，孔板式電極電場更加均勻穩(wěn)定，電極尺寸及厚度影響靜電場的分布，而孔間距對靜電場幾乎無影響。適宜的電極半徑R=20～25 mm，厚度H=17 mm。

孔板式電極；靜電紡絲；電場模擬；電場分布

0　引言

納米纖維是指直徑在1～100 nm范圍內(nèi)的纖維，具有高比表面積、高孔隙率及優(yōu)異的物理機(jī)械性能等優(yōu)點，已引起了研究者的廣泛關(guān)注。目前納米纖維制備方法主要有：拉伸法［1］、相分離法［2］、模板合成法［3］、自組裝法［4］、分子噴板紡絲法［5］、海島型雙組分復(fù)合紡絲法［6］和靜電紡絲法［7］。

靜電紡絲是利用注射泵將溶膠、高聚物或混合溶液引入針頭，針頭尖端的液滴在高壓電場作用下由半球形變成錐形，也被稱為泰勒錐，當(dāng)外加電壓使靜電排斥力克服溶液的表面張力時，帶電射流從泰勒錐頂端噴出然后經(jīng)歷鞭動、靜電排斥力而持續(xù)拉伸，最后沉積到收集裝置表面。靜電紡絲具有工藝簡單、成本低、適用于多種聚合物等特點，可制備微米級和納米級纖維，是目前制備納米纖維最常見的方法。目前，電紡纖維已經(jīng)在生物醫(yī)用材料、過濾材料、復(fù)合增強(qiáng)材料、傳感器、電子材料等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的單針頭靜電紡絲裝置，產(chǎn)量小，效率低，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，而多針頭靜電紡絲技術(shù)［8-12］，雖然提高了效率，但在紡絲時靜電排斥力會導(dǎo)致電場分布不均，針頭射流相互排斥，而且電場的不穩(wěn)定變化促使“鞭動”出現(xiàn)，使納米纖維定向收集困難。為了解決這些難題，研究者們設(shè)計了多種無針頭靜電紡絲裝置：Varabhas等［13］使用帶孔的圓柱形電極代替針頭，紡絲液從孔中壓出，在靜電場中拉伸成纖維；Yarin［14］使用了雙層溶液體系，下層為鐵磁性懸浮液，上層為聚合物溶液，利用在磁場中鐵磁性懸浮液中形成的針狀突起物拉伸聚合物溶液形成納米纖維氈；He等［15］使用氣泡法靜電紡絲方式，利用氣流在溶液表面生成大量泡沫，在靜電場的作用下，泡沫表面形成泰勒錐而拉伸成絲；Wang等［16］采用金屬絲螺旋制成的錐形漏斗為電極所得的纖維直徑更細(xì)，且產(chǎn)量成倍提高；Dosunmu等［17］采用多孔管代替針頭，在高壓靜電作用下形成多股噴射射流，靜電紡絲產(chǎn)量很高，但是纖維直徑變化較大；Liu等［18］采用循環(huán)轉(zhuǎn)動的珠鏈為針頭，以毛刷給液的方式使轉(zhuǎn)動珠鏈上的珠子都帶有紡絲液，然后在靜電場作用下不斷形成射流，大大提高了紡絲產(chǎn)量。

為了提高規(guī)?；苽浼{米纖維的取向性和有序性，本文設(shè)計了孔板式無針頭靜電紡絲裝置，用Ansoft Maxwell 3D軟件進(jìn)行建模仿真，研究孔板式電極與傳統(tǒng)針頭系統(tǒng)的電場分布，并對電極尺寸、厚度及孔間距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1　Ansoft Maxwell軟件建模

1.1幾何模型

為了探討靜電紡絲過程中孔板式電極對電場分布的影響，本文使用Maxwell軟件對孔板電極靜電紡絲裝置進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。建立如圖1所示模型，主要包括金屬電極、孔板、接收板3部分。其中金屬電極簡化為實心圓柱體，半徑R=25 mm，高H=5 mm；孔板為絕緣的圓柱體，半徑r=30 mm，高h(yuǎn)=8 mm，孔板上分布3個r=0.5 mm的小孔，孔間距d=13.86 mm；接收板是長寬均為200 mm，厚度為2 mm的金屬板。圖1中孔板到接收板的距離L=200 mm。

圖1　靜電紡絲模型Fig.1 The model of electrospinning

1.2材料屬性與外加條件

金屬電極為不銹鋼材質(zhì)，孔板采用聚四氟乙烯材質(zhì)，接收板使用鋁板材質(zhì)；金屬電極外加電壓為20 kV，接收板電壓為0 V。

1.3邊界條件

孔板式靜電模型如圖1，金屬電極與孔板垂直于Z軸，3號孔位于X軸10 mm處，孔板與面XOY相切；計算區(qū)域：-150 mm＜X＜150 mm；-150 mm＜Y＜150 mm；-150 mm＜Z＜250 mm，區(qū)域內(nèi)為真空環(huán)境。

1.4求解條件

采用自適應(yīng)方法劃分網(wǎng)格，求解參數(shù)設(shè)置如下：殘差為10-7，誤差平均值為0.001，計算步驟為50。

2　結(jié)果與討論

2.1孔板式與針頭式電極對比

多針頭系統(tǒng)中最大的難題是相鄰射流之間存在排斥力，且不同位置的針頭電場分布不均勻，會導(dǎo)致靜電紡絲過程中紡絲液直接滴落或針頭不工作等問題。

為了探討孔板式電極與針頭式電極的區(qū)別，在圖2中給出了兩種靜電紡絲裝置在不同位置的電場強(qiáng)度變化，圖2（a）為Y=0，Z=1時，沿X軸電場強(qiáng)度變化，從圖中可以看出孔板式電極在針孔表面電場較針頭更均勻穩(wěn)定，而且針頭周圍電場強(qiáng)度急劇下降，低于孔板表面電場強(qiáng)度，針頭表面的電場強(qiáng)度為3.13×106V/m，孔表面值為3.33× 105V/m。圖2（b）是X=10，Y=0時，沿Z軸電場強(qiáng)度變化，由圖可以看出，雖然針頭處電場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔處，但是Z值增大到70 mm時，孔的電場強(qiáng)度反而大于針頭產(chǎn)生的電場。圖2（c）為X=0，Y=0時，沿Z軸電場強(qiáng)度變化，可以發(fā)現(xiàn)在靜電場中心區(qū)，孔板的電場強(qiáng)度值始終較大，且變化趨勢平緩，進(jìn)一步表明孔板式電極衰減小，電場均勻。

通過對比孔板式電極與針頭式電極裝置電場變化規(guī)律可以得到：在電壓一定的情況下，孔板電極較針頭電場強(qiáng)度值小，但是電場強(qiáng)度衰減小，電場分布更均勻。

2.2電極尺寸的影響

為了考察不同電極尺寸對電場分布的影響，在其他參數(shù)不變情況下，分別建立電極半徑R為15 mm、20 mm、25 mm、30 mm的計算模型。圖3給出了模擬計算結(jié)果，可以看出電極尺寸大小影響電場的分布：在近距離處電極越大，孔板表面電場強(qiáng)度越小，當(dāng)距離增大到一定值后，孔板表面電場強(qiáng)度隨電極尺寸增大而增大，電場分布越均勻。

圖2　兩種電極電場強(qiáng)度分布Fig.2 The electric field distribution of two kind of electrodes

圖3（a）是Z=1時沿X軸電場強(qiáng)度變化，表明隨著電極尺寸的增大，孔板式電極表面的電場強(qiáng)度降低，中間區(qū)域的電場值比兩端降幅大，然而強(qiáng)電場區(qū)域面積增大，電場的整體均勻性較好。隨著Z值的增大，在圖3（b）中Z=10時沿X軸電場強(qiáng)度變化可以看出，電場差值減小，尺寸較大的電極中部區(qū)域電場強(qiáng)度反而更穩(wěn)定，均勻的電場分布會使射流受力穩(wěn)定，拉伸力均勻，“鞭動”不會過于劇烈，有利于得到細(xì)長纖維。但電極尺寸過大時，孔板表面的電場值較小，紡絲液受電場力較小而難以克服粘結(jié)力和表面張力，不易形成泰勒錐，這時在紡絲過程中需要增大施加電壓來彌補(bǔ)，增大操作難度。

圖3（c）是X=10，Y=0時沿Z軸電場強(qiáng)度變化，可以反映出電極尺寸大小對電場影響：在較近距離時（Z＜18 mm）電極尺寸越大孔板表面電場值越小，而當(dāng)Z＞18 mm時，電極尺寸越大孔板表面電場值越大，因此綜合考慮各種因素，規(guī)?；娂徤a(chǎn)中適宜的電極尺寸為R=20～25 mm。

2.3電極厚度分析

為了探究不同電極厚度對電場分布的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，分別建立了電極厚度H為2 mm、7 mm、17 mm、32 mm的計算模型。結(jié)果如圖4（a）是Z=1時沿X軸電場強(qiáng)度變化，圖4（b）是X=0時沿Z軸電場強(qiáng)度變化。

從圖4可以看出不同電極的厚度對電場分布的影響：隨著電極厚度的增加孔板電極表面的電場強(qiáng)度減小，因此較厚的電極不利于在孔表面形成強(qiáng)電場區(qū)域，會導(dǎo)致紡絲過程中射流形成困難。但是當(dāng)Z＞55 mm時，厚電極的場強(qiáng)值大于薄電極，此區(qū)域為靜電紡絲過程的鞭動區(qū)，電場均勻變化有利于納米纖維的穩(wěn)定拉伸，較強(qiáng)的電場力反而會使鞭動劇烈，甚至出現(xiàn)“飛絮”現(xiàn)象。因此選取電極厚度時要綜合考慮孔表面和鞭動區(qū)的場強(qiáng)變化。

從圖4（b）中可以看出：H=2 mm時，孔板表面衰減幅度最大，而且接收板表面電場強(qiáng)度最小；H=7 mm時電場值上升幅度最大；H=17 mm時，隨著Z值增大電場均勻衰減，接收板電場強(qiáng)度值最大；H=32 mm時，孔板表面電場增長區(qū)域變大，在Z=20 mm左右電場衰減幅度最大，而且接收板表面電場低于H=17 mm時的表面電場強(qiáng)度。因此，適宜的電極厚度應(yīng)為H=17 mm。

2.4孔間距的影響

為了研究不同孔間距對電場分布的影響，在其他參數(shù)不變情況下，分別建立了孔間距d為13.86 mm、23.89 mm、32.33 mm的計算模型。如圖5中的電場分布結(jié)果：孔附近電場強(qiáng)度同樣存在衰減現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)向下的峰，峰寬約為5 mm，此范圍內(nèi)電場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍電場，因此如果孔間距過小，低電場區(qū)域疊加，不利于泰勒錐的形成，會導(dǎo)致在紡絲過程中出絲困難或不出絲。而且，不同間距的孔板電極產(chǎn)生的靜電場變化趨勢相似，曲線基本重合，孔的位置不同導(dǎo)致峰的位置不同，說明孔間距大小對電場分布影響不大。綜合考慮，采用孔板式電極，孔間距d=5～15 mm范圍內(nèi)適宜。

圖5　孔間距對電場分布的影響Fig.5 Effect of hole spacing on electric field distribution

3　結(jié)論

1）在電壓一定的情況下，孔板電極比針頭電場強(qiáng)度值小，但是電場強(qiáng)度衰減小，電場分布更均勻。

2）電極尺寸大小影響靜電場的分布，電極半徑越小，孔板表面的靜電場強(qiáng)度越大，但電場均勻區(qū)域越小，隨著Z值增大到一定值時，電極半徑越大，電場均勻區(qū)域則增大，電極半徑R=20～25 mm之間最佳；電極厚度越小，孔板表面的靜電場強(qiáng)度越大，電場均勻區(qū)域減小，電場衰減增大，當(dāng)Z值增大到一定值時，電極厚度增加，電場均勻區(qū)域反而增大，適宜的電極厚度應(yīng)為H=17 mm。不同孔間距對靜電場幾乎無影響，適宜的孔間距d=5～15 mm。

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Investigation of electric field simulation on plate-holes needleless electrospinning system

JI Ji，LI Jian-jun，WANG Li-qiu
（School of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

A plate-holes spinneret needleless electrospinning equipment instead of needles spinneret was developed to study the electrostatic field distribution.The effect of plate-holes electrode size，thickness and hole spacing was analyzed using Ansoft Maxwell software.The simulation results show that plate-holes electric field distribution is more uniform and stable than needles electrode，the size of plate-holes electrode and thickness affect the distribution of electrostatic field，but the hole spacing has little influence on the electrostatic field.The best electrode size is the radius R=20～25 mm and thickness H=17 mm.

plate-holes electrode；electrospinning；electric field simulation；electric field distribution

TQ340.6

A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2015.06.006

1007-791X（2015）06-0506-05

2015-08-15 基金項目：河北省自然科學(xué)基金資助項目（B2015203259）

季驥（1990-），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為靜電紡絲制備功能及結(jié)構(gòu)纖維材料及規(guī)模化研究；*通信作者：李建軍（1974-），男，河北遷安人，博士，副教授，主要研究方向為新型無機(jī)纖維材料的制備及應(yīng)用，Email：jianjunli@ysu.edu.cn。