一種新型靜電紡絲裝置及其噴頭的電場模擬

梁 洪,管聲啟,何建新

(1.西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048;2.中原工學院 紡織學院,河南 鄭州 450007)

0 引 言

靜電纖維成型技術被稱為靜電紡絲技術,利用高壓靜電能產(chǎn)生直徑為納米到微米級的聚合物纖維,制備的靜電紡納米纖維因其特殊性能(高表面積、可調(diào)節(jié)孔體積和材料類型廣泛等)被廣泛應用到各個領域,如組織工程、傳感器、藥物輸送、傷口敷料和能源的應用[1-2].靜電紡制備聚合物納米纖維具有設備簡單、操作容易等特點,是目前為止制備聚合物連續(xù)納米纖維最重要的方法之一[3-6].

然而傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置為單針頭裝置,生產(chǎn)效率較低,單針頭靜電紡絲機的生產(chǎn)率只能達到(0.1～1)g/h,從而導致生產(chǎn)成本過高,進而影響其產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化以[7-10].針對這一問題,相關研究者提出了多針頭靜電紡絲技術,這也是目前提高產(chǎn)量和推進工業(yè)化應用最普遍也是最主要的方法之一[11-13].隨著實驗的開展,人們發(fā)現(xiàn)多針頭靜電紡絲裝置雖然能在一定程度上提高生產(chǎn)率,但設備結(jié)構(gòu)復雜,針間電場干擾很大[14-15].例如Theron等利用9個針頭排列成3×3和9×1陣列進行實驗時發(fā)現(xiàn),陣列式多針頭射流間由于相鄰針頭間的靜電影響會產(chǎn)生相互排斥的現(xiàn)象,容易造成針頭的堵塞,影響紡絲質(zhì)量,同時在陣列中針頭間必要的空隙會導致裝置體積的增大難以與工業(yè)化生產(chǎn)相匹配[16].因此人們逐漸由多針頭向無針頭靜電紡絲技術轉(zhuǎn)移,近年來,眾多科研人員加大了對無針頭靜電紡絲設備的研究與開發(fā)的力度，并出現(xiàn)了納米蜘蛛等可批量化制備納米纖維的設備[17-21].

為了能夠大批量、規(guī)?；苽浼{米纖維,本文依據(jù)靜電紡絲基本原理,在多針頭和無針頭靜電紡絲的基礎上設計了一種新型靜電紡絲裝置，然后采用COMSOL Multiphysics對其紡絲噴頭進行電場模擬分析[22],最后進行實驗驗證裝置的基本性能及可行性.

圖 1 新型靜電紡絲裝置總體機構(gòu)Fig.1 The general mechanism of a new type of electrostatic spinning device

1 新型靜電紡絲裝置

1.1 總體設計

傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置一般由高壓電源、帶噴絲頭的容器和接收極板3部分組成,紡絲效率較低,為了提高靜電紡絲的效率,批量化制備靜電紡納米纖維,本文設計了一種新型靜電紡絲裝置,如圖1所示,主要包括鋸齒噴頭、刷液機構(gòu)、接收裝置、輔助運動機構(gòu)等.

鋸齒噴頭連接高壓電源的正極,刷液機構(gòu)持續(xù)涂刷紡絲液在鋸齒噴頭上,液滴形成泰勒錐并噴射出來,在運動過程中,充滿電荷的噴射細流在電場力、表面張力、黏彈力及庫侖力等多個力的作用下向接收滾筒運動，由于一系列不穩(wěn)定過程,纖維不斷撕裂拉伸,同時由于有機溶劑的揮發(fā),纖維直徑持續(xù)減小,最終在接收滾筒上形成了無紡布式的二維納米纖維結(jié)構(gòu).由于獨特的刷液運動機構(gòu)以及噴射方式,相比傳統(tǒng)紡絲機構(gòu)具有良好的紡絲效果.

1.2 噴頭設計

一般紡絲用高分子溶液的導電性能并不是很理想,要使其電荷飽和,必須有一定的電場強度才能達到,而導電體所能產(chǎn)生的電場強度與其表面上的ρ(曲率)是比例關系,即E=Cρ3.因此,新型靜電紡絲裝置使用鋸齒代替針式噴頭是可行的,鋸齒同樣屬于尖端電極,并且由場強大小和導電體表面曲率的關系可知,鋸齒式導體能夠?qū)崿F(xiàn)較大的電場強度,滿足形成泰勒錐的基本原理,實現(xiàn)靜電紡絲.

本文設計的鋸齒式噴頭如圖2所示,總長為300 mm,單個鋸齒的高度為5 mm,齒寬為2 mm,齒距為3 mm,齒頂角為30°,齒厚為0.5 mm,材質(zhì)采用銅.設計的這種開放式的尖端噴頭,在實現(xiàn)靜電紡絲的前提下,不僅避免了紡絲液的堵塞,而且大大提高了紡絲效率和產(chǎn)量.

1.3 刷液機構(gòu)設計

刷液機構(gòu)主要包括刷頭、滾珠絲杠運動機構(gòu)和蠕動泵等,刷頭固定在基座上,由蠕動泵通過導管進行連續(xù)供液,滾珠絲杠機構(gòu)帶動基座作往復直線運動,從而持續(xù)給鋸齒式噴頭提供紡絲液.刷頭內(nèi)部構(gòu)造如圖3所示,主要包括刷液縫和供液通道,內(nèi)部通道表面光滑.在基座帶動刷頭來回運動的過程中,為了防止鋸齒上黏附的溶液被刷頭剝落,所設計的刷液縫隙的寬度要比鋸齒厚度寬,為3 mm.設計的供液通道的內(nèi)徑為1.5 mm,保證溶液能夠順利流至刷液縫隙,然后在運動過程中,被鋸齒頂尖吸附.

圖 2 鋸齒式噴頭主視圖 圖 3 刷頭內(nèi)部示意圖Fig.2 The main view of serrated nozzle Fig.3 Interior sketch map of brush head

絲杠機構(gòu)依據(jù)鋸齒長度300 mm,運行速度2 m/min,基座及刷液頭的質(zhì)量,選用MPRO絲杠模組C070,其長度LB為300 mm,絲桿直徑DB為25 mm,導程PB為20 mm,最大負載M為12 kg,由于負載只有刷液頭和塑料基座,承重輕,所以一端直接通過無隙聯(lián)軸器連接伺服電機,一端采用單軸承支承的安裝方式.

伺服電機預選用松下MDME064G1C中慣量伺服電機,額定功率為60 W,額定轉(zhuǎn)矩為2.86 N·m.根據(jù)式(1)～(6)計算伺服電機的必須扭矩,確定所選伺服電機是否滿足要求.

JL=JLM+JB+JC,

(1)

JLM=M(PB/2π)2，

(2)

J=JL+JM.

(3)

式中：JL為外部負荷慣量；JLM為負載折合轉(zhuǎn)動慣量；查詢絲杠模組數(shù)據(jù),絲桿轉(zhuǎn)動慣量JB=0.904×10-4kg·m2,聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量JC=1.1×10-4kg·m2,JM按最大電機慣量,JM=2.03×10-4kg·m2,計算可得加在電機上的總轉(zhuǎn)動慣量J.

進而計算電機啟動扭矩，得

(4)

式中：運行速度v=2 m/min;加速時間t0=0.1 s.計算得TS=0.0549 N·m.

加上負載扭矩

TL=FμPB/2πη

(5)

式中：F=Mg;摩擦系數(shù)μ取0.3;機械效率η取0.9.計算得TL=0.1273 N·m.

最后,計算伺服電機的必須扭矩為

TM=(TL+TS)S.

(6)

式中：安全系數(shù)S取2,計算得TM=0.3644 N·m<2.86 N·m,所選電機額定轉(zhuǎn)矩為2.86 N·m,大于計算值6倍以上,符合要求.

1.4 接收裝置

接收裝置由電機、鋁制滾筒組成,鋁制滾筒的直徑為70 mm,長度為300 mm,兩端用滾動軸承支承,通過帶傳動由電機帶動轉(zhuǎn)動.

為了獲得不同厚度或不同取向的納米纖維,滾筒的速度應該是可調(diào)節(jié)的,因此本文選用直流電機,其調(diào)速性能好,起動力矩大,滿足接收裝置的需要.直流電機通過帶傳動帶動接收滾筒轉(zhuǎn)動,將納米纖維連續(xù)收集.

2 鋸齒式噴頭的電場模擬分析

為了從理論上驗證鋸齒式噴頭實現(xiàn)靜電紡絲的可行性,本文采用多物理場有限元分析軟件COMSOL Multiphysics5.3對靜電場其進行分析,用以確定由電荷分布或外加電勢所產(chǎn)生的電場和電場標量位分布.該分析中有2種形式的載荷:電壓和電荷密度.由于實際情況中紡絲纖維在靜電場中的運動十分復雜,因此應對實際模型進行簡化,建立一個接近實際的、簡化的電場模型.

2.1 參數(shù)設定

在COMSOL Multiphysics5.3中,建立靜電場穩(wěn)態(tài)研究模型,為了減少仿真的計算量,在保證仿真精度的前提下,定義了一個半徑為0.4 m的球體,所有的電場模擬分析計算都在這個范圍內(nèi)進行.然后,導入需要仿真的幾何模型,由SolidWorks建立,一個鋸齒噴頭和一個接收滾筒.最后建立需要進行網(wǎng)格劃分的模型如圖4所示.仿真模型的規(guī)格參數(shù):仿真邊界球體半徑為400 mm，鋸齒尺寸為300 mm×16 mm×1 mm，接收滾筒尺寸為Φ70 mm×300 mm，紡絲距離160 mm，激勵電壓+30 kV.

圖 4 鋸齒式噴頭仿真模型Fig.4 Simulation model of serrated nozzle

2.2 模擬結(jié)果

設定好模型的基本參數(shù)后,選擇球體,鋸齒,接收滾筒的材料為copper,其余部分設定為air,介質(zhì)參數(shù)選擇默認.電勢設置中,滾筒接地,鋸齒施加+30 kV的電壓,然后對紡絲裝置和球體進行網(wǎng)格劃分,最后進行計算分析,得到經(jīng)過原點的x-y平面的電勢分布圖和等值線電場線分布圖,如圖5(a),(b)所示.

(a) 電勢分布圖 (b) 電場線分布圖圖 5 鋸齒式噴頭仿真xy平面電場分布示意圖Fig.5 xy plane of electric field distribution of serrated nozzle

為了便于分析鋸齒式噴頭電場模擬結(jié)果,本文另外模擬了傳統(tǒng)單針頭作正極、接收滾筒作負極的電場分布情況,如圖6所示.

(a) 電勢分布圖 (b) 電場線分布圖圖 6 單針頭仿真xy平面電場分布示意圖Fig.6 Electric field distribution of single nozzle xy plane

圖5(a)與圖6(a)分別表示鋸齒式噴頭與單針頭靜電紡絲裝置在施加激勵電壓為30kv的情況下電場的電勢分布云圖,不同顏色代表電勢的高低,由藍色到紅色逐漸增高.可以看出,靠近鋸齒式噴頭的位置紅色區(qū)域最為集中,說明噴頭附近的電勢最高;靠近接收滾筒的位置藍色區(qū)域最為集中,說明接收區(qū)域附近的電勢最低;隨著噴頭與接收滾筒距離的增加,電勢逐漸下降.這驗證了靜電紡絲的基本原理,從理論基礎上驗證了裝置的可行性.

同時對比鋸齒式噴頭與單針頭靜電紡絲裝置的電勢分布云圖可以看出,在噴頭到接收滾筒這一區(qū)域,鋸齒式噴頭的模擬結(jié)果中,顏色變化由紅到藍過渡均勻,噴頭附近紅色區(qū)域明顯,而單針頭模擬結(jié)果中,顏色變化呈突變形式,噴頭附近紅色區(qū)域不太明顯.即鋸齒式噴頭的電勢分布相對單針頭而言,電勢下降緩慢,而且噴頭附近高電勢面積更大,高電勢分布區(qū)域更為廣泛,不同大小的電勢分布更為均勻.

圖5(b)與圖6(b)分別表示鋸齒式噴頭與單針頭靜電紡絲裝置在施加激勵電壓為30 kV的情況下電場的電勢等值線分布圖,可以更為直觀地分析電場分布情況.不同顏色的等值線代表不同電勢大小,等值線的疏密程度代表電勢下降快慢,箭頭的疏密程度表示電場線的分布情況.對比發(fā)現(xiàn),在噴頭到接收滾筒這一區(qū)域,鋸齒式噴頭的等值線及電場線分布更為均勻,等值線顏色變化較為緩慢,疏密程度也較穩(wěn)定,表明其電勢下降比較穩(wěn)定,而且噴頭附近高電勢分布更多,高電勢分布區(qū)域更為廣泛,電場分布更為均勻.

通過以上模擬結(jié)果分析,鋸齒式噴頭的靜電紡絲裝置相比傳統(tǒng)單針頭紡絲裝置,噴頭附近紡絲靜電場高電勢分布更為廣泛,電勢下降比較穩(wěn)定,紡絲區(qū)域電場分布更為均勻,因此紡絲過程中纖維受力會更均勻,成絲更為容易,出絲量也更穩(wěn)定,從理論上驗證了批量化制備納米纖維的可行性.

3 實驗分析

為了進一步驗證設計的新型靜電紡絲裝置的實用性,優(yōu)化紡絲設備的相關參數(shù),紡絲過程的工藝參數(shù),本文選用PAN溶液作為試紡溶液,搭建小型靜電紡絲裝置進行靜電紡絲實驗.

3.1 實驗過程

實驗所需藥品及儀器如下:不同濃度的PAN溶液200 mL(溶劑為DMF),微型蠕動泵(0.1～100 r/min,流量范圍(0.007～380 mL/min),進口直流高壓電源,電壓調(diào)控范圍為(0～60 kV).實驗參數(shù)初步設定保持紡絲環(huán)境溫度為26 ℃,濕度為18%RH,接收滾筒接收速度為0.5 r/min,刷液噴頭運動平均速度為0.03 m/s.

先由蠕動泵供液至刷液機構(gòu),然后刷液機構(gòu)在伺服電機的帶動下作來回往復運動,接收滾筒在直流電機的帶動下轉(zhuǎn)動,刷頭將溶液刷至鋸齒式噴頭上,溶液液滴可見時,打開高壓發(fā)生裝置,紡絲開始,紡絲時可以根據(jù)紡絲效果調(diào)節(jié)接收滾筒的轉(zhuǎn)動速度、蠕動泵的供液量.

3.2 結(jié)果分析

依據(jù)控制變量法進行一系列試驗,按照上述參數(shù)各持續(xù)紡絲1 h后,得到最佳的PAN納米纖維兩種倍數(shù)的SEM照片如圖7所示.

圖 7 PAN納米纖維電鏡圖Fig.7 Electron microscopy of PAN nanofiber

從圖7可以發(fā)現(xiàn),新型靜電紡絲裝置紡出的PAN納米纖維的直徑分布較為均勻,直徑范圍在(50～100 nm)之間.驗證了新型靜電紡絲裝置的紡絲的可行性和實用性.

最終得到PAN溶液最佳的紡絲工藝參數(shù)范圍:PAN紡絲液濃度為10%,蠕動泵的供液速度約為(3～4)r/min,鋸齒處接正壓+30 kV.進一步優(yōu)化新型紡絲裝置的一些參數(shù),噴頭到接收滾筒最佳的距離為(17～18) cm,接收滾筒接收速度為(0.15～0.20) r/min,刷液噴頭運動平均速度為0.02 m/s.

4 結(jié)束語

本文設計了一種新型靜電紡絲裝置,有限元仿真分析表明,新型鋸齒式噴頭的靜電場分布均勻,高電勢分布面積較大,使成絲更為簡單穩(wěn)定.利用該裝置成功制備了聚丙烯腈納米纖維,其形貌均勻,直徑可達(50～100) nm.最終優(yōu)化了紡絲裝置以及紡絲工藝的參數(shù).實驗表明,相比于傳統(tǒng)單針頭紡絲裝置,新型靜電紡絲裝置的自動化程度更高,出絲穩(wěn)定連續(xù),對實現(xiàn)納米纖維的規(guī)?；苽渚哂休^大的幫助.

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