多射流靜電紡絲穩(wěn)定性的影響分析

卓麗云，朱自明，鄭高峰

(1.廈門工學(xué)院機械與制造工程學(xué)院，福建廈門 361021； 2.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006； 3.廈門大學(xué)儀器與電氣系，福建廈門 361102)

隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，聚合物納米纖維在過濾、生物醫(yī)學(xué)、傳感器和材料等不同領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。因此，靜電紡絲作為制取納米纖維最簡單而有效的方法也成為了研究的熱點[1-7]。

多射流靜電紡絲無疑是提高紡絲產(chǎn)量和促進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)的最普遍方法之一。目前多針頭靜電紡絲噴頭主要有直列式和空間排列式[8-10]。S. A. Theron等[11]研究了1×9針頭和1×7針頭的線性排列和3×3的9針頭空間排列；W. Tomaszewksi等[12]研究了26針頭的線型排列、橢圓排列和10針頭圓形排列。Zhu Ziming[13]等通過對線性、三角形、梯形三種多針頭排列形式進(jìn)行仿真實驗，提出梯形排列有助于改善靜電紡絲制備的纖維膜質(zhì)量。余薇等[14]提出一種基于庫侖定律的呈線性凸弧形排布多針頭的靜電紡絲法。王巍和陳云軍等[15-16]針對無針式靜電紡絲進(jìn)行了相應(yīng)的研究。陳威亞和吳元強等[17-19]對多針頭靜電紡絲電場強度的均勻性進(jìn)行了模擬，主要通過不等針長、間距、針頭數(shù)量、針頭直徑、針頭排列形式、電壓及增加輔助電極等工藝參數(shù)進(jìn)行仿真對比。劉延波等[20]采用金屬套管對多針頭靜電紡絲過程中場強分布進(jìn)行了影響分析。

研究表明多針頭噴頭并不是單針頭噴頭的簡單疊加，而是在庫侖力的作用下會導(dǎo)致邊緣效應(yīng)的出現(xiàn)[21]。筆者建立在許多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，對多射流靜電紡絲的電場邊緣效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，提出了錯位排列的雙列線性多針頭噴頭；為進(jìn)一步明確多射流靜電紡絲控制策略，開展線性單列、雙列、錯位排列等結(jié)構(gòu)噴頭的電場仿真分析，明確多射流噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對空間電場的作用規(guī)律，進(jìn)行噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，為多射流靜電紡絲過程的穩(wěn)定和持續(xù)提供技術(shù)保障，為后續(xù)多針頭噴頭規(guī)?；a(chǎn)的設(shè)備制造提供研究基礎(chǔ)。

1 多射流靜電紡絲電場邊緣現(xiàn)象的理論分析

多針頭噴頭是解決靜電紡絲大批量生產(chǎn)的有效方法，但是多針頭并不是簡單的單針頭的疊加。因為多針頭施加電壓后，針頭之間會出現(xiàn)同種電荷所受的庫侖力不同從而導(dǎo)致邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生。分別在單針、雙針和三針噴頭施加相同電壓時，會出現(xiàn)如圖1所示的三種不同的電荷分布現(xiàn)象。圖1中單針噴頭末端的電荷分布比較均勻；雙針噴頭末端的電荷由于相互之間的排斥力而使得電荷分布不均勻，使得兩針頭之間相近部分電荷分布較少而外圍一側(cè)電荷分布較多；三針噴頭因中間針頭同時受到兩邊針頭的電荷排斥力而發(fā)生相互抵消，從而形成比較均勻的電荷分布，但兩邊的針頭受到同一方向的排斥力而無法相互抵消，從而形成電荷往邊緣聚集的現(xiàn)象[13]。

圖1 三種噴頭施加電壓下的電荷分布情況

噴頭中針頭附近電場與針頭電荷分布情況有關(guān)，電荷密度越大，電場越強。線性陣列噴頭中相鄰針頭之間的電荷分布現(xiàn)象如圖1中三針噴頭所示，其電場力矢量圖可表示為圖2。

圖2 多針頭線性陣列電場力矢量圖

圖2中，1號和3號表示邊緣針頭，2號表示中間針頭。當(dāng)噴頭施加一定電壓時，1，2，3號針頭分別受到針頭自身指向收集板的電場力E1V，E2V，E3V，同時針頭之間分別受到其它針頭對自己的水平電場力：1號針頭受到2號和3號針頭對其的水平電場力分別為E21L和E31L；2號針頭受到1號和3號針頭對其的水平電場力分別為E12L和E32L；3號針頭受到1號和2號針頭對其的水平電場力分別為E13L和E23L。因此，1，2，3號針頭所受的電場力合力E1R，E2R和E3R分別表示為式(1)～式(3)。2號中間針頭受到兩側(cè)的水平電場力方向相反會相互抵消，而1，3號邊緣針頭受到的來自同一側(cè)的水平電場力不會發(fā)生相互抵消，所以就會出現(xiàn)如式(4)所示的現(xiàn)象，兩側(cè)1，3號的針頭電場力會大于中間1號的針頭，距離相等的1號針頭和3號針頭的電場力大小相等。由此可見，多射流靜電紡絲電場邊緣現(xiàn)象是不可避免的?？紤]到邊緣效應(yīng)的特性，筆者把電場強度比值(即電場強度最高值與最低值之比)作為邊緣效應(yīng)的強弱表征指標(biāo)。

2 多射流噴頭的靜電紡絲電場仿真

因為帶電射流的噴射和沉積穩(wěn)定性主要取決于多針頭噴頭不同針頭位置的電場分布情況，所以保證納米纖維膜均勻性的前提是降低邊緣效應(yīng)，提高多射流噴頭空間電場的均勻性。因此，明確多射流噴頭電場分布規(guī)律與控制策略，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減少電場抑制、確保穩(wěn)定持續(xù)噴射已經(jīng)成為多射流靜電紡絲技術(shù)研究的重點。

2．1 構(gòu)建空間電場三維仿真模型

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行靜電紡絲噴頭空間電場的仿真分析，根據(jù)方案設(shè)計構(gòu)建如圖3所示的靜電紡絲三維空間電場仿真模型，主要由多射流噴頭1、空間區(qū)域2和收集板3組成。多射流噴頭1的排列方式主要有如圖4所示的三種：圖4a所示為單列線性噴頭，簡稱為單列噴頭(其中L1分別為15 mm和30 mm)；圖4b所示為雙列線性噴頭，簡稱為雙列噴頭(其中L1分別為15 mm和30 mm，L2為15 mm)；圖4c所示為錯列線性噴頭，簡稱為錯列噴頭(其中L1為30 mm，L2為15 mm，L3為7.5 mm)。仿真主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖4 噴頭的三種排列方式

表1 靜電紡絲模型仿真參數(shù)設(shè)置情況

2．2 電場仿真分析

由于納米纖維直徑的大小及均勻性主要取決于多射流的穩(wěn)定性，而其穩(wěn)定性主要由不同位置的針頭電場強度所決定。因此，分別對三種不同的噴頭進(jìn)行仿真建模分析，取各個針尖處的電場強度進(jìn)行分析。

(1)單列噴頭電場仿真。

單列噴頭(針頭間距為15 mm和30 mm)針尖處的電場強度對比如圖5所示(圖5中的針頭距離指各針頭相對噴頭中心點的距離，下同)。由圖5可以看出，針頭間距15 mm單列噴頭針尖處電場強度平均值的最大值、最小值和平均值分別為1 689.7，1 352.5 V/mm和1 473.2 V/mm；針頭間距30 mm單列噴頭針尖處電場強度平均值的最大值、最小值和平均值分別為2 072.7，1 753.5 V/mm和1 869.9 V/mm。間距30 mm單列噴頭的電場強度全部大于間距15 mm單列噴頭的電場強度；隨著間距的增大，電場強度也跟著增大且更趨于平緩，電場強度比值由1.249降為1.182。這是由于針頭間距增大，針頭之間的電荷排斥力減少，處于中間位置的針頭處電場強度受到的削弱程度較小，空間電場的抵制作用較弱，這樣有利于提高射流噴射的穩(wěn)定性，但針頭間距的增大使得射流密度也降低了。

圖5 針頭間距為15 mm和30 mm的單列噴頭電場強度分布

(2)雙列噴頭電場仿真。

考慮到高射流密度有助于纖維的形成，在單列噴頭的基礎(chǔ)上采用了雙列噴頭，其針頭排列形式如圖4b所示，針頭間距主要有15 mm和30 mm兩種，其對應(yīng)的各針尖電場強度對比如圖6所示。由圖6可知，雙列噴頭中間距相同的兩列針頭的電場強度基本重合，且其曲線趨勢均和單列噴頭基本一致，表明雙列噴頭的電紡是可實施的。間距15 mm雙列噴頭針尖處電場強度平均值的最大值、最小值和平均值分別為1 278.7，929.2 V/mm和1 008.4 V/mm；間距30 mm雙列噴頭針尖處電場強度平均值的最大值、最小值和平均值分別為1 543.9，1 245.9 V/mm和1 351.1 V/mm。間距30 mm的電場強度明顯優(yōu)于間距15 mm電場強度。隨著間距的增大，電場強度也隨之增大且更趨于平緩，電場強度比值由1.376降為1.239。同圖5相比可發(fā)現(xiàn)針頭間距相同的情況下，雙列噴頭的電場強度小于單列噴頭的電場強度，而且雙列噴頭的邊緣效應(yīng)較單列噴頭有所增強，但是相對于單列噴頭，雙列噴頭更有助于提高射流密度且是實現(xiàn)靜電紡絲批量生產(chǎn)必不可少的方法。

圖6 間距為15 mm和30 mm的雙列噴頭電場強度分布

(3)錯列噴頭電場仿真。

為了同時獲得較高的電場強度和射流密度，在雙列噴頭的基礎(chǔ)上提出了針頭間距同時包括15 mm和30 mm的錯列噴頭，其噴頭模塊的結(jié)構(gòu)形式如圖4c所示，其各針尖處電場強度分布如圖7所示。

圖7 間距同時包括15 mm和30 mm的錯列噴頭電場強度分布

由圖7可以看出，錯列噴頭各個針尖處電場強度平均值的最大值、最小值和平均值分別為1 522.2，1 049.0 V/mm和1 238.6 V/mm，電場強度比值為1.361。中間區(qū)域的兩列針頭的電場強度和數(shù)據(jù)趨勢基本保持相同；兩側(cè)針頭的電場強度數(shù)據(jù)差別比較大且第一列的數(shù)值增幅較大。這是因為第一列兩側(cè)的針頭只受到單邊針頭電荷排斥力，電場強度的削弱程度比較小，使得沒有受電荷排斥力的一側(cè)電場強度增加明顯；第二列兩側(cè)的針頭和第一列相比多了第一列兩側(cè)針頭的電荷排斥力，其和另外一側(cè)的電荷會產(chǎn)生一定的削弱作用，所以比第一列兩側(cè)針頭的電場強度小。

(4)綜合分析對比。

考慮多列多射流有助力于大批量生產(chǎn)，取兩種不同間距的雙列噴頭以及錯列噴頭進(jìn)行綜合分析對比，分別把三種不同結(jié)構(gòu)噴頭中的針頭進(jìn)行如圖8所示編號，分別取三種噴頭每號針頭針尖處電場強度的平均值數(shù)據(jù)，制成圖9的電場強度對比圖。由圖9可知，三種噴頭都存在著不同程度的邊緣效應(yīng)。結(jié)合雙列噴頭和錯列噴頭中的電場強度比值可知，錯列噴頭的邊緣效應(yīng)略弱于間距15 mm的雙列噴頭而強于間距30 mm的雙列噴頭。錯列噴頭的電場強度和中間位置針頭的電場強度曲線平緩度均明顯優(yōu)于間距15 mm的雙列噴頭，而差于間距30 mm的雙列噴頭。由圖4可知三種噴頭的針頭間距關(guān)系為：間距15 mm雙列噴頭＜錯列噴頭＜間距30 mm雙列噴頭。因為針頭間距決定著射流密度，所以錯列噴頭的射流密度優(yōu)于間距30 mm的雙列噴頭，而略劣于間距15 mm的雙列噴頭。因為靜電紡絲多射流噴射的穩(wěn)定性主要取決于電場強度大小和射流密度，最理想的狀態(tài)是電場強度好且射流密度高，而錯列噴頭可以在保證射流密度的前提下，獲得相對較高的電場強度。由此可見，錯列噴頭有助于靜電紡絲多射流的穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖9 三種噴頭的電場強度對比圖

3 結(jié)論

(1)邊緣效應(yīng)在線性多針頭的噴頭靜電紡絲過程中必然存在且隨著針頭距離的加大有所減緩；針頭間距同時包括15 mm和30 mm錯列噴頭的邊緣效應(yīng)略弱于間距15 mm雙列噴頭而強于間距30 mm雙列噴頭。

(2)雙列噴頭的電場強度平均值低于單列噴頭的電場強度平均值，而邊緣效應(yīng)相對于單列噴頭有所加強。

(3)無論單列還是雙列噴頭，增加針頭之間的間距都有助力于電場強度的增大和減緩邊緣效應(yīng)，但是這是以降低射流的密度為代價的。

(4)間距錯列可以在保證射流密度的前提下，減少電荷之間的干擾效應(yīng)從而獲得較好的電場強度平均值，但其電場強度比值也比較大即具有相對較強的邊緣效應(yīng)。