圓環(huán)狀輔助電極對多針頭靜電紡絲系統(tǒng)的電場分布影響

李建軍　季驥　王麗秋

摘 要：為了考察圓環(huán)狀輔助電極對多針頭靜電紡絲裝置的電場分布影響，使用了Ansoft Maxwell軟件模擬分析了圓環(huán)狀輔助電極在不同半徑、外加電壓及粗細(xì)等因素對電場的影響并與無輔助電極時的情況相比較。結(jié)果表明：加入圓環(huán)狀輔助電極可以提高針頭表面的電場強度，使電場分布更加均勻，外加電壓、半徑及粗細(xì)都會影響電場的分布。當(dāng)屏蔽環(huán)的外加電壓為18 kV，半徑為38 mm，型號為20#（0.457 mm）鐵絲時為最優(yōu)條件。

關(guān)鍵詞：圓環(huán)狀輔助電極;靜電紡絲;多針頭;電場分布

中圖分類號：TQ343.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）03-0091-06

Effects of Circular Ring Auxiliary Electrode on Electric Field Distributionof Multi-Needle Electrospinning System

LI Jianjun， JI Ji， WANG Liqiu

（School of Environmental and Chemical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China）

Abstract：In order to investigate the effects of auxiliary ring auxiliary electrode on electric field distribution of electrospinning device， Ansoft Maxwell software was used to simulate and analyze the effects of different radius， applied voltage and thickness of auxiliary ring auxiliary electrode on electric field， and the comparison was conducted with the condition of no auxiliary electrode. The results showed that the addition of auxiliary ring auxiliary electrode could improve electric field intensity of needle surface and make electric field distribution more uniform. The applied voltage， radius and thickness of the electrode would affect electric field distribution. The optimal conditions were as below： applied voltage of shielding ring 18 kV， radius 38 mm and the model of iron wire 20#（0.457 mm）.

Key words：auxiliary ring auxiliary electrode; electrospinning; multi-needle; electric field distribution

納米纖維具有高比表面積、直徑?。?～100 nm）等優(yōu)點，在生物醫(yī)用材料、復(fù)合增強材料、過濾材料及傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)由于成本低廉、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程短等優(yōu)勢成為目前最有發(fā)展?jié)摿Φ囊?guī)?；{米纖維制備技術(shù)。

為了實現(xiàn)納米纖維的批量規(guī)?；苽?，國內(nèi)外學(xué)者對靜電紡絲裝置進行了設(shè)計改進，目前主要集中在多針（噴）頭裝置、非針（噴）頭裝置及輔助裝置的改進方面，例如采用旋轉(zhuǎn)輥筒電極[1]、螺旋線圈[2]、邊緣板[3]、環(huán)形珠鏈電極[4]、靜電梭[5]、帶狹縫的中空管[6]、多孔管電極[7-8]、多孔噴絲板電極[9]及旋轉(zhuǎn)環(huán)狀電極[10]等非針（噴）頭裝置，在輔助裝置改進方面，如利用磁場帶動聚合物紡絲液形成凸起而在電場下形成射流的雙層結(jié)構(gòu)裝置[11];利用通入紡絲液的氣體形成氣泡在電場下拉伸的靜電紡絲技術(shù)[12-14];紡絲液在重力作用下滴落到旋轉(zhuǎn)輥筒電極上的濺射式靜電紡絲技術(shù)[15]等。由于非針頭靜電紡絲技術(shù)制得的纖維粗細(xì)不均率較高，產(chǎn)品質(zhì)量控制困難，不適合生產(chǎn)皮芯型、并列型等特殊結(jié)構(gòu)的多組分復(fù)合纖維，多針頭靜電紡絲技術(shù)仍需要進一步研究，而在多針系統(tǒng)中最困難的問題是相鄰射流存在靜電排斥力，導(dǎo)致電場分布不均勻，電場的不穩(wěn)定變化會加速“鞭動”現(xiàn)象而很難實現(xiàn)納米纖維的定向收集。

早期的多針頭靜電紡絲技術(shù)的研究主要是在増加針頭數(shù)量及針頭排列方式上，例如Theron等[16]研究了1×9針頭和1×7針頭的線型排列和3×3排列的9針頭靜電紡絲過程;Tomaszewksi等[17]研究了26針頭線型排列、橢圓排列和10針頭圓形排列的多針頭系統(tǒng);Angammana等[18]研究了2～4個線型排列多針頭的靜電紡絲裝置，都發(fā)現(xiàn)多針頭圓形排列時紡絲過程穩(wěn)定性最好、纖維質(zhì)量好且紡絲效率較高，而多針頭線型排列時紡絲效率最差;而且隨著針頭數(shù)量增加，針尖處的電場強度明顯減小，電場的干擾作用也逐步增強。為了改善多針頭之間電場的干擾作用，使電場分布均勻，研究者們開始研究不同形狀的輔助電極的靜電紡絲裝置，例如圓筒狀[19]、空心圓板式[20]、平板式[21]、移動針狀及圓柱狀電極[22]、針式輔助電極等[23-24]，并借助Ansoft Maxwell、Comsol、Ansys等有限元軟件進行電場模擬分析，發(fā)現(xiàn)加入輔助電極后使針尖的電場強度最大值降低，還可以抑制射流的鞭動不穩(wěn)定性，纖維收集區(qū)域比無輔助電極時減小。Yang等[25]使用了等軸環(huán)狀輔助電極（以下簡稱屏蔽環(huán)），研究了六邊形排列的7～37個針頭系統(tǒng)，用Ansoft Maxwell有限元分析軟件確定了屏蔽環(huán)最佳尺寸，發(fā)現(xiàn)在7針頭系統(tǒng)中使用直徑7 cm的屏蔽環(huán)效果最佳，針尖處的電場也更加均勻。

雖然輔助電極的使用可以改善多射流之間的相互影響，但還不能完全消除電場的干擾，所以還需要對多針頭靜電紡絲過程中場強分布及場強大小做進一步研究，本文首先利用Ansoft Maxwell 3D軟件對6針頭圓形排列的靜電紡絲裝置進行仿真建模，研究屏蔽環(huán)參數(shù)對紡絲系統(tǒng)的靜電場的影響，然后以電解溶膠-凝膠過程制備的Al2O3-3Y-TZP溶膠進行靜電紡絲，來驗證模擬優(yōu)化后的最佳條件，以期為規(guī)?；噌橆^靜電紡絲裝置的設(shè)計和制造提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 Ansoft Maxwell建模

1.1 模型建立

使用了Ansoft Maxwell 3D軟件對6針頭電極裝置進行了數(shù)值模擬。建立如圖1所示模型，主要包括針頭、圓形接收板、屏蔽環(huán)三部分。其中針頭半徑1 mm，長80 mm;接收板半徑200 mm，厚度2 mm，接收距離200 mm;屏蔽圓環(huán)半徑25～55 mm。

1.2 材料屬性與外加條件

針頭材質(zhì)為不銹鋼，屏蔽環(huán)材質(zhì)采用市售鐵絲（規(guī)格10#～40#），接收板為鋁質(zhì)，針頭施加電壓為10～30 kV，鋁質(zhì)接收板電壓為零。

1.3 邊界條件

6個針頭呈半徑為10 mm圓形分布，與接收板垂直于Z軸，計算區(qū)域：-150 mm<X<150 mm;-150 mm<Y<150 mm;-150 mm<Z<250 mm，計算域內(nèi)為真空，無窮遠(yuǎn)處電壓為零。

1.4 求解條件

采用自適應(yīng)方法劃分網(wǎng)格，求解參數(shù)：殘差1×10-6，誤差平均值0.001，計算步驟50。

1.5 Al2O3-3Y-TZP紡絲溶膠的制備及纖維的表征

將ZrOCl2·8H2O、AlCl3·6H2O和Y（NO3）3·6H2O（摩爾分?jǐn)?shù)為2.5%的Y2O3/ZrO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Al2O3/ZrO2）溶于蒸餾水中，加入蔗糖，在40 ℃恒溫條件下攪拌1 h，然后在電解池中加入適量的冰醋酸，在25 ℃恒溫電解，電解48～60 h后得到粘性溶膠。具體過程在文獻[26-27]中詳細(xì)敘述。靜電紡絲結(jié)束后取出接收板上的凝膠纖維，在70 ℃烘箱中干燥24 h，自然冷卻到室溫。用掃描電子顯微鏡（SEM，JXA-840，日本JEOL）來觀察纖維的形貌，加速電壓20 kV，纖維表面噴金來提高導(dǎo)電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 有、無屏蔽環(huán)的電場強度對比

在多針頭靜電紡絲過程中，由于不同位置的針頭場強大小及分布不等，不僅會導(dǎo)致針（噴）頭中的紡絲液直接滴落或針頭不工作等問題，而且會影響射流穩(wěn)定，造成納米纖維的粗細(xì)不勻度增加。為了探討有無屏蔽環(huán)時多針頭的靜電場分布情況，在圖2中給出有無屏蔽環(huán)及不同外加電壓時各個針頭的電場強度，并統(tǒng)計分析了三組針頭場強值的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，可以看出，當(dāng)沒有屏蔽環(huán)時針頭之間的電場相互影響嚴(yán)重，其中1#針頭的場強遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他針頭，導(dǎo)致該組標(biāo)準(zhǔn)偏差σ較大，說明在施加同一電壓時，各個針頭表面的電場強度波動較大，這種情況不利于“Taylor”錐的形成，進而會降低紡絲效率影響纖維產(chǎn)量。加入屏蔽環(huán)后，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ由1.33×105 V/m降低到2.52×104 V/m，說明各個針頭的 場強值變化幅度減小，電場穩(wěn)定性提高，而且各個針頭的表面場強均值增加，說明屏蔽環(huán)在屏蔽外界電場干擾的同時可以使各針頭之間的電場更加均勻，與文獻[25]中的模擬結(jié)果類似。當(dāng)給屏蔽環(huán)外加與針頭相同的20 kV電壓的時候，電場更加穩(wěn)定，各個針頭的場強值波動更小，但是各針頭表面的電場強度平均值反而減小，其原因可能是屏蔽環(huán)的電場與各針頭表面電場的相互排斥作用導(dǎo)致。

為了進一步考察有無屏蔽環(huán)時電場分布情況，在圖3中給出了不同Z值時的沿X軸電場強度變化趨勢。如圖3（a）所示，當(dāng)無屏蔽環(huán)或屏蔽環(huán)無施加電壓時，電場的變化趨勢基本都為雙峰分布，而峰值并非針頭表面的強度值，而是2、3和5、6號針頭中間位置的強度疊加，當(dāng)給屏蔽環(huán)施加20 kV電壓后，屏蔽環(huán)外圍出現(xiàn)了強電場區(qū)域，出現(xiàn)兩個強峰，而屏蔽環(huán)內(nèi)電場強度減低，隨著Z值增加，如圖3（b）中所示，兩個強峰的強度減弱，說明屏蔽環(huán)在遠(yuǎn)離針頭時電場作用減弱，屏蔽環(huán)內(nèi)場強也逐步接近于無屏蔽環(huán)時的電場強度。

2.2 屏蔽環(huán)外加電壓的影響

當(dāng)給屏蔽環(huán)施加電壓時，針頭表面的電場強度會降低。為了考察施加不同電壓時的電場分布情況，在其他參數(shù)不變情況下，分析計算了電壓為10、15、20、25 kV及30 kV的各針頭的場強情況，從圖4（a）中可以看出，給屏蔽環(huán)外加不同電壓，計算域中同一位置的場強變化趨勢相似，在屏蔽環(huán)外圍出現(xiàn)強電場區(qū)域。在圖4（b）可以明顯看出屏蔽環(huán)產(chǎn)生的電場對針頭表面電場影響顯著，當(dāng)外加電壓增大到30 kV時，6個針頭表面電場均值由1.7×106 V/m下降到2.71×105 V/m，衰減達84.1%。靜電紡絲過程中能夠形成纖維射流的條件之一是施加的外加電壓必須大于體系的臨界電壓Vc，而較低的電場強度值只能用提高電壓的方式來彌補，這將增加靜電紡絲過程的生產(chǎn)成本，不利于規(guī)?；a(chǎn)。因此屏蔽環(huán)的施加電壓不易太大，以保障針頭表面有足夠的電場強度值。通過計算5組針頭表面場強的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ發(fā)現(xiàn)，隨著電壓值的增大，σ值呈先減小后增大再減小的趨勢，因此本模型屏蔽環(huán)施加電壓的最佳范圍應(yīng)為15～20 kV。圖5中給出了不同施加電壓時各針頭的場強均值和屏蔽環(huán)的表面場強變化，可以看出，當(dāng)施加電壓為18 kV時，屏蔽環(huán)表面與針頭表面場強大小相同，此時電場分布最均勻，為屏蔽環(huán)的最佳施加電壓。

2.3 屏蔽環(huán)半徑的影響

為探究屏蔽環(huán)尺寸對電場分布的影響，分別建立了屏蔽環(huán)半徑R為25、35、45、55 mm的計算模型，施加電壓18 kV而其他參數(shù)不變。結(jié)果如圖6（a）所示，可以看出屏蔽環(huán)的半徑也影響電場的分布情況，在相同的外加電壓時，隨著屏蔽環(huán)半徑的增大，針頭表面的場強均值逐漸減小，計算后的標(biāo)準(zhǔn)偏差值σ出現(xiàn)不規(guī)律變化。但是從圖6（b）可以看出，隨著屏蔽環(huán)半徑的增加，屏蔽環(huán)的表面場強值反而逐漸增大。在靜電紡絲過程中，屏蔽環(huán)和針頭表面的電場值相近才能保持電場穩(wěn)定，電場分布更加均勻，因此屏蔽環(huán)的最佳半徑應(yīng)為圖中的兩曲線相交點R為38 mm處，此時針頭表面和屏蔽環(huán)表面的電場強度相等。

2.4 屏蔽環(huán)粗細(xì)的影響

為了研究屏蔽環(huán)粗細(xì)對電場分布的影響，分別計算了采用市售鐵絲型號分別為10#（1.625 mm）、20#（0.457 mm）、30#（0.157 mm）、40#（0.061 mm）的電場分布情況，施加電壓仍為最佳電壓18kV，其他參數(shù)不變。如圖7所示，屏蔽環(huán)的粗細(xì)也影響計算區(qū)域的電場分布，在施加相同的外加電壓情況下，隨著屏蔽環(huán)變細(xì)，各個針頭表面的場強值逐漸增加，應(yīng)該盡可能選擇較細(xì)的屏蔽環(huán)，但是計算后的標(biāo)準(zhǔn)偏差值σ為先增大后變小的趨勢，其中20#鐵絲標(biāo)準(zhǔn)偏差σ最小，為了產(chǎn)生均勻分布的電場，屏蔽環(huán)應(yīng)選擇20#鐵絲為最佳。

2.5 Al2O3-3Y-TZP凝膠纖維的表征

按上述最佳條件，將Al2O3-3Y-TZP溶膠在6針頭靜電紡絲裝置中進行靜電紡絲，結(jié)果如圖8所示，圖8（a）和圖8（b）分別為有無屏蔽環(huán)時制得的凝膠纖維在70 ℃空氣中干燥24 h后的SEM照片，可以看出，無屏蔽環(huán)時纖維取向雜亂，直徑分布較寬，纖維規(guī)整度較差，而有屏蔽環(huán)時凝膠纖維取向規(guī)整，直徑較為均勻，約為1～5 μm，說明使用屏蔽環(huán)后，均勻分布的電場可以抑制紡絲射流的鞭動不穩(wěn)定性，使纖維質(zhì)量提高。

3 結(jié) 論

a）在圓形排列的多針頭靜電紡絲系統(tǒng)中加入屏蔽環(huán)可以提高針頭表面的電場強度，使電場分布更加均勻，當(dāng)給屏蔽環(huán)施加電壓時，各個針頭的場強波動減弱，電場更加穩(wěn)定，但是針頭表面場強降低。

b）屏蔽環(huán)的外加電壓、半徑及粗細(xì)都影響電場的分布。在本文設(shè)計的多針頭靜電紡絲模型中，當(dāng)屏蔽環(huán)的外加電壓為18 kV，半徑R=38 mm，型號為20#（0.457 mm）鐵絲時為最優(yōu)條件。

c）加入屏蔽環(huán)的多針頭靜電紡絲裝置可以制備質(zhì)量較好的Al2O3-3Y-TZP凝膠纖維，直徑在1～5 μm之間。

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