多針頭靜電紡絲電場分布改善及仿真分析

郭文利　任曉龍　陳江義

摘要：傳統(tǒng)的多針紡絲噴頭由于各針頭間電場存在強烈的相互干擾作用，往往會造成電場分布不均勻，嚴重影響紡絲質量。為提高多針頭靜電紡絲的效率和質量，探索有效可行的多針噴頭工藝改善措施，獲得更均勻的電場分布，對不同針頭數(shù)量的正六邊形分布式多針電紡噴頭的工作電場進行建模仿真分析。通過優(yōu)化多針噴頭結構改善其電場分布，提出了3種措施：設置不同針頭間距，不等針長和不同直徑屏蔽環(huán)，通過有限元分析工具COMSOL Multiphysics 5.5對其進行仿真分析，詳細闡明不同針間距下電場分布特征的變化趨勢，加長中心針對電場分布均勻性的影響以及屏蔽環(huán)在均衡電場分布和集中分布范圍上的作用。這為實現(xiàn)多針頭靜電紡絲過程的高效穩(wěn)定提供了理論支持，也為多針頭靜電紡絲批量化生產的設備進一步優(yōu)化提供研究基礎。

關鍵詞：靜電紡絲;多針噴頭;電場分布;有限元分析;不等針長;屏蔽環(huán)

中圖分類號：TQ 340.1文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）04-0833-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0424開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Improvement and simulation analysis of electric field

distribution in multi-needle electrospinningGUO Wenli1，2，REN Xiaolong2，CHEN Jiangyi1

（1.School of Mechanical and Power Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China;

2.Guangdong Shunde Innovative Design and Research Institute，F(xiàn)oshan 528000，China）Abstract：In traditional multi-needle spinning nozzle，the electric field distribution is not uniform due to strong mutual interference between needles，which seriously affects the spinning quality.In order to improve the efficiency and quality of more needles electrostatic spinning，a feasible needle nozzle technology was explored，with a more uniform electric field distribution obtained.A modeling and simulating analysis were made for an operation electric field with hexagonal-distributed electrospinning nozzle needle in different numbers.By optimizing the structure of the multi-needle nozzle to improve its electric field distribution，three measures were proposed：different needle spacings，unequal needle lengths and different diameters of the shielding ring.A finite element analysis tool COMSOL Multiphysics 5.5 was used to carry out a simulation test，and the differences were clarified in details：the changing trend of the electric field distribution characteristics under the needle spacing，the effect of the lengthening center on the uniformity of the electric field distribution，and the role of the shielding ring in balancing the electric field distribution and the concentrated distribution range.The results provide a theoretical support for realizing the high efficiency and stability of the multi-needle electrospinning process，which is a research basis for the equipment optimization of multi-needle electrospinning mass production.

Key words：electrospinning;multi-needle;electric field distribution;finite element analysis;unequal needle length;shield ring

第4期郭文利，等：多針頭靜電紡絲電場分布改善及仿真分析

0引言

納米纖維由于其表現(xiàn)出的高比表面積、高孔隙率、優(yōu)異的力學性能及柔性等多種普通尺寸材料不具備的特殊性能[1]，材料的應用也廣泛涉及到組織工程[2-4]，環(huán)保過濾[5-6]，能源領域[7-9]，傳感器技術[10]等重要前沿領域。靜電紡絲法具有簡單、工藝可控、可連續(xù)生產的優(yōu)點，是目前用于直接制備納米纖維最便捷有效的方法[11]。

為實現(xiàn)納米纖維膜的高質量和大批量生產，多針靜電紡絲和無針靜電紡絲成為高效制備納米纖維膜的熱門技術[12-13]。其中無針靜電紡絲技術中具有代表性的是蜘蛛納米纖維靜電紡絲[14]和氣泡靜電紡絲技術[15]，但無針靜電紡絲技術往往存在直徑尺寸，射流可控性和工藝的穩(wěn)定控制方面的不足[16-19]。相比之下，多針靜電紡絲技術在納米纖維的均勻性、材料的適應性、微結構的復雜性、膜功能的多樣性等方面具有更大的優(yōu)勢。但是經研究發(fā)現(xiàn)，多噴頭射流間由于相鄰針頭間的電場會產生相互排斥的現(xiàn)象，導致紡絲過程的不穩(wěn)定和納米纖維的不均勻沉積[20-21]，所以對于多針頭靜電紡絲技術，電場分布的優(yōu)化是一個關鍵問題。Zhou等在早前的研究中就發(fā)現(xiàn)，當噴頭的間距比較小時，針頭與針頭之間彼此受到的電場干擾較大，噴出的射流之間會相互影響，甚至很難形成射流，纖維直徑也變得不穩(wěn)定[22];劉延波等研究了附加金屬套管的結構參數(shù)對靜電紡絲過程工作電場的影響[23];吳元強等對線性排列的多針頭靜電紡絲電場強度分布進行了仿真研究，分析了針頭數(shù)量、針外徑、針長、接收距離、電壓以及針間距等因素對電場強度的影響[24];卓麗云等分析了3種線性排列方式的多針頭分別以2種針間距放置時的電場強度分布，認為其中梯形錯列噴頭在保證一定的射流密度下，可獲得相對較高的電場強度[25];余薇等基于庫侖定律提出一種呈線性凸弧形排列方式的多針噴頭并進行了有限元模擬分析，認為線性凸弧形排布方式能夠降低邊緣針頭的場強且有利于改善針頭處電場分布均勻性[26]。

文中對不同針數(shù)的正六邊形多針系統(tǒng)進行模型簡化和模擬仿真，結合其電場分布特征，提出改善多針噴頭場強分布均勻性的可行措施：通過對不同針間距下場強分布趨勢的仿真分析，選擇合適的針間距;通過設置不等長度的針頭均衡各針尖處的場強大小，進一步提高場強分布的均勻性;通過對加載不同直徑屏蔽圓環(huán)下電場分布的仿真分析，選擇合適大小的屏蔽圓環(huán)，得到場強分布均勻且集中的工作電場。

1靜電場理論分析

靜電紡絲裝置在穩(wěn)定工作狀態(tài)下保持源場電壓不變，所以該研究所建模型所處的物理場為一個穩(wěn)態(tài)靜電場。穩(wěn)態(tài)靜電場的泊松方程表示為

2模型建立與針頭結構

靜電紡絲裝置一般可以分為以下部分：高壓電源發(fā)生器、供液裝置、紡絲噴管、收集器。裝置原理示意圖如圖1所示。

接通電源后，在噴頭和收集器間便形成工作電場。靜電紡絲裝置以7針為例，多針噴頭結構如圖2所示。

正六邊形多針噴頭針數(shù)由少到多可有7針、19針、37針等多針系統(tǒng)，以19針為例，針頭分布平面示意如圖3所示，黑色實點表示針頭，虛線表示連接的針頭處于相同的位置，相鄰針間距為l，按位置標記，如7針系統(tǒng)由1位針和2位針組成，19針系統(tǒng)由1位針、2位針、3位針組成，以此類推。

使用有限元軟件對靜電紡絲過程進行仿真，簡化模型如圖4所示，主要由多針噴頭，矩形接收薄板和空間域組成，加載有高壓靜電的多針噴頭和接地的金屬收集薄板是形成電場的主要因素。

3電場仿真分析

3.1不同針間距的多針電場仿真

對不同針間距的正六邊形多針噴頭進行仿真，分析針間距對場強分布的影響，選擇合適的針間距，兼顧場強分布均勻性與射流密度以適應規(guī)?；纳a過程。以7針系統(tǒng)為例詳細介紹：接收間距為150 mm，設置針間距l(xiāng)取值10～40 mm，步長為5 mm。選擇針尖下方1 mm電場強度值作為觀測值。當針間距為10 mm和20 mm時針尖下方1 mm處場強分布如圖5所示。

通過仿真可以分析7針噴頭的電場分布特征：1位針電場強度小于2位針電場強度，2位針各針在電場中處于相同位置，針尖場強值接近一致，2位針對1位針產生類似屏蔽效果。記1位針電場強度為E₁，2位針中電場強度最大值為E₂，場強差值為ΔE₁₂=E₂-E₁。將不同針間距下所得的場強數(shù)據整理分析得到針間距對場強分布的影響如圖6所示，左軸表示場強值，右軸表示標準差系數(shù)。隨著針間距的增大，各針尖場強和整體平均場強隨之增大。值得注意的是，當針間距不大于30 mm時，標準差系數(shù)V_σ和ΔE₁₂維持同一水平小范圍浮動。當針間距大于30? ?mm時，兩者都隨針間距增大而明顯減小。這是因為在相同的工作電壓下，針間距越小、針上電荷間的相互排斥和干擾越強，場強被削弱也越明顯。隨著間距增大，針間相互作用減弱，整體場強提高，當針距增大到一定程度時，各針接近單針電場分布，各針場強趨近一致。

同時從19針噴頭仿真中也可以看到相似的電場分布特征，如圖7所示：針間距增大，各針電場強度增大，與7針噴頭相比標準差系數(shù)減小更明顯，說明針頭數(shù)量更多時，場強分布對針間距變化更敏感;3位針對1位針和2位針產生屏蔽作用。可以認為：較小的針間距可以獲得較大的射流密度，有利于批量化生產，但工作電場質量較差;較大的針間距有利于獲得較大且分布均勻的工作電場但生產效率不高，因此綜合考慮認為對于正六邊形排列式多針噴頭，針間距應為20～30 mm較好，當針數(shù)增加時，考慮到紡絲液溶劑揮發(fā)等需求，可適當選擇稍大的針間距。文中為7針噴頭選擇針間距為20 mm，V_σ=0.07;19針噴頭針間距為25 mm，V_σ=0.11。

3.2不等針長的多針電場仿真

由靜電場理論可知，改變兩點電荷之間的距離，電場力會隨之改變，可以通過改變針長來提高場強分布的均勻性。為了盡量對少數(shù)的針長做出調整，文中選擇收集薄板位置不變的情況下加長低位針。多針噴頭標號按同位針（由低到高）針長標記，如：19針等長噴頭記作25-25-25。圖8分別展示了7針和19針系統(tǒng)不等針長情況下的場強分布云圖，對比圖8（a）和（b）中可以看到，1位針加長為25.12 mm后，電場強度變大，紅色區(qū)域變大，顏色變深，由圖8（c）和（d）中同樣可以看到1位針和2位針分別加長至25.18 mm和25.14 mm后電場強度得到有效增強。

表2中列出了幾種不同針長標號的7針噴頭的場強分布數(shù)據。結果表明：隨著1位針加長，場強差值ΔE₁₂隨之減小;當1位針長度為25.14 mm和25.16 mm時，都有ΔE₁₂為負數(shù)，即E₂1

[4]解健，蘇儉生.靜電紡絲取向納米纖維作為組織工程生物支架的優(yōu)勢與特征[J].中國組織工程研究，2021，25（16）：2575-2581.XIE Jian，SU Jiansheng.Advantage and characterristics of electrospun aligned nanofibers as scaffolds for tissue engineering[J].Chinese Journal of Tissue Engineering Research，2021，25（16）：2575-2581.

[5]NAZARENKO Y.Air filtration and SARS-CoV-2[J].Epidemiology and Health，2020，42：e2020049.

[6]劉兆麟，王欣，張威.納米級蛛網纖維膜的制備與空氣過濾性能研究[J].棉紡織技術，2017，45（11）：13-17.LIU Zhaolin，WANG Xin，ZHANG Wei.Preparation of nano-fiber-nets membrane and its air filtration property study[J].Cotton Textile Technology，2017，45（11）：13-17.

[7]LIU X，MARLOW M N，COOPER S J，et al.Flexible all-fiber electrospun supercapacitor[J].Power Sources，2018，384（2）：264-269.

[8]KABIR S，MEDINA S，WANG G，et al.Neyerlin KImproving the bulk gas transport of Fe-NC platinum group metal-free nanofiber electrodes via electrospinning for fuel cell applications[J].Nano Energy，2020，73（7）：104791.

[9]陳靜，馮宇，趙禎祥，等.靜電紡絲技術在固體氧化物燃料電池中的應用[J].硅酸鹽學報，2021，49（9）：1861-1868.CHEN Jing，F(xiàn)ENG Yu，ZHAO Zhenxiang，et al.Application of electrospinning technology in solid oxide fuel cell[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2021，49（9）：1861-1868.

[10]駱懿，于洋，廖家明，等.高壓靜電紡絲工藝制備PVDF-ZnO/GR共聚物膜的壓電性能研究[J].傳感技術學報，2019，32（6）：815-821.LUO Yi，YU Yang，LIAO Jiaming，et al.Piezoelectric properties of PVDF-ZnO/GR copoilmer films prepared by high voltage electrospinning[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2019，32（6）：815-821.

[11]RAHMATI M，DAVID? ?K M，ALEKSANDRA M U，et al.Electrospinning for tissue engineering applications[J].Progress in Materials Science，2020，46（8）：10074-100721.

[12]ZHU Z M，ZHENG G F，ZHANG R G，et al.Nanofibrous membrane through multi-needle electrospinning with multi-physical field coupling[J].Materials Research Express，2021，8（7）.

[13]PARTHENIADIS I，NIKOLAKAKIS I，LAIDME I，et al.A mini-review：Needleless electrospinning of nanofibers for pharmaceutical and biomedical applications[J].Processes，2020，8（6）：673-693.

[14]張艷萍，張莉彥，馬小路，等.無針靜電紡絲技術工業(yè)化進展[J].塑料，2017，46（2）：1-4，12.ZHANG Yanping，ZHANG Liyan，MA Xiaolu，et al.Recent? development of industerialized needleless electrospinning technology[J].Plastics，2017，46（2）：1-4，12.

[15]劉福娟，諸葛依娜.氣泡紡絲裝置：CN113981553A[P].2022-01-28.LIU Fujuan，ZHUGE Yina.Bubble spinning device：CN113981553A[P].2022-01-28.

[16]TIAN L，ZHAO C C，LI J，et al.Multi-needle，electrospun，nanofiber fila-ments：Effects of the needle arrangement on the nanofiber alignment degree andelectrostatic field distribution[J].Textile Research Journal，2015，85（6）：621-631.

[17]KIM I G，LEE J H，UNNITHAN A R，et al.A comprehensive electric field analysis of cylinder-type multi-nozzle electrospinning system for mass production ofnanofibers[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，31（5）：313-314.

[18]LIU Z，ZHAO J H，ZHOU L，et al.Recent progress of the needleless electrospinning for high throughput of nanofibers[J].Recent patents on nanotechnology，2019，13（3）：164-170.

[19]HAI J H，CHENG K L，MOLNAR K.A novel needleless electrospinning system using a moving conventional yarn as the spinneret[J].Fibers and Polymers，2018，19（7）：1472-1478.

[20]ZHANG C C，GAO C C，CHANG M W，et al.Continuous micron-scaled rope engineering using a rotating multi-nozzle electrospinning emitter[J].Applied Physcics Letters，2016，109（15）：151903.

[21]WANG H，LI M，CHEN X，et al.Study of deposition characteristics of multi-nozzle near-field electric field crossover interference conditions[J].AIP Advances，2018，5（4）：041302.

[22]ZHOU F I，GONG R H.Manufacturing technologies of poly-meric nanofibers and nanofiber yarn[J].Polymer International，2008，57（6）：837-845.

[23]劉延波，韋春華，劉健，等.金屬套管對多針頭靜電紡絲過程中場強分布的影響[J].天津工業(yè)大學學報，2019，38（3）：35-40.LIU Yanbo，Wei Chunhua，Liu Jian，et al.Effect of metal casing on distribution of field strength in multi-needle electrospinning process[J].Journal of Tiangong? University，2019，38（3）：35-40.

[24]吳元強，許寧，陸振乾，等.多針頭靜電紡絲電場強度分布模擬研究[J].合成纖維工業(yè)，2019，42（5）：41-45.WU Yuanqiang，XU Ning，LU Zhenqian，et al.Simulation of electric filed intensity distribution in multi-ozzle electrospinning[J].China Synthetic Fiber Industry，2019，42（5）：41-45.

[25]卓麗云，朱自明，鄭高峰.多射流靜電紡絲穩(wěn)定性的影響分析[J].工程塑料應用，2020，48（10）：59-64.ZHUO Liyun，ZHU Ziming，ZHENG Gaofeng.Analysis on stability of multi-jet electrostatic spinning[J].Engineering Plastics Application，2020，48（10）：59-64.

[26]余薇，強威.基于庫侖定律的多針頭靜電紡絲法的設計[C]//2017機械設計國際會議暨第19屆機械設計學術年會論文集，2017：185-188.YU Wei，QIANG Wei.Multi-needle electrospinning method based on coulombs law[C]//Proceedings of the 2017 International Conference on Mechanical Design and the 19th Annual Conference on Mechanical Design，2017：185-188.