陣列圓盤(pán)式紡絲頭結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

劉延波,和星雨,郝 銘,胡曉東,楊 波

(1.武漢紡織大學(xué),a.紡織科學(xué)與工程學(xué)院;b.省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430200; 2.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300387)

納米纖維具有高比表面積、高孔隙率以及較好的力學(xué)性能等特點(diǎn),被廣泛用于空氣過(guò)濾、油水分離、組織工程、藥物輸送等領(lǐng)域,是目前研究熱點(diǎn)之一[1]。靜電紡絲技術(shù)是制備納米纖維最簡(jiǎn)單、高效的一種方法[2]。

目前使用靜電紡絲方法批量制備納米纖維主要有兩種技術(shù):多針頭靜電紡絲技術(shù)和無(wú)針頭靜電紡絲技術(shù)。其中多針頭靜電紡絲技術(shù)主要有以Tomaszewski等[3]為代表的直線型陣列、以郭文利等[4]為代表的正六邊形陣列和以Theron等[5]為代表的圓形和橢圓形陣列的多針頭靜電紡絲。直線型多針頭靜電紡絲具有喂液可控和可持續(xù)穩(wěn)定紡絲的優(yōu)點(diǎn),但是根據(jù)電場(chǎng)疊加原理可知,多個(gè)紡絲針頭之間產(chǎn)生庫(kù)倫排斥力,會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)中間場(chǎng)強(qiáng)低兩邊場(chǎng)強(qiáng)高的現(xiàn)象,即邊緣效應(yīng)。郭文利等[4]和Theron等[5]提出的圓形陣列和正六邊形陣列多針頭靜電紡絲,雖然通過(guò)改變針頭位置來(lái)減弱邊緣效應(yīng),但并沒(méi)有完全消除。無(wú)針頭靜電紡絲技術(shù)主要以捷克Elmarco公司研究的第一代“納米蜘蛛”滾筒式靜電噴絲頭[6]為代表的靜電紡絲技術(shù),其供液方式為開(kāi)放式供液,當(dāng)紡絲頭旋轉(zhuǎn)到溶液槽中,液體黏附在紡絲頭表面,從而產(chǎn)生射流。同時(shí)無(wú)針頭式噴絲頭具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高、通量大等優(yōu)點(diǎn)。然而,由于開(kāi)放式儲(chǔ)液器通常具有相對(duì)較大的自由液體表面,所以溶劑易揮發(fā),也難以精準(zhǔn)控制射流的均勻發(fā)射,且需要施加較高的電壓才能激發(fā)射流,能耗較大。

本文主要設(shè)計(jì)一種集合有針和無(wú)針式靜電紡絲的優(yōu)點(diǎn)的新型紡絲頭,由帶有交錯(cuò)排列紡絲孔的線性陣列式小圓盤(pán)組成。噴絲孔交錯(cuò)排列避免相鄰噴絲孔相互干擾,使得制備納米纖維更均勻。進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化紡絲頭結(jié)構(gòu)參數(shù)(圓盤(pán)數(shù)量、圓盤(pán)間距、圓盤(pán)外徑、中心軸直徑、輔助電極)以及紡絲工藝參數(shù),來(lái)調(diào)控紡絲電場(chǎng)分布情況。使用COMSOL Multiphysics?5.6軟件,模擬了在不同參數(shù)調(diào)整下的紡絲模型,探究場(chǎng)強(qiáng)和電勢(shì)大小在紡絲口處的分布情況,最終得到一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)較高且場(chǎng)強(qiáng)分布均勻的紡絲頭。

1 靜電場(chǎng)理論分析

麥克斯韋方程組是電磁場(chǎng)的基礎(chǔ),也是靜電紡絲體系中直流高壓電場(chǎng)有限元分析的依據(jù)。COMSOL Multiphysics?5.6靜電場(chǎng)有限元模擬遵循泊松方程:

-?dε0εr?V=dρ

(1)

式中:ε0和εr分別為真空介電常數(shù)和介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);ρ和V分別為空間電荷密度和電勢(shì)能。在邊界條件設(shè)定中,根據(jù)式(2)對(duì)各邊界條件進(jìn)行約束。

-nD=ρs

(2)

式中:n為界面的法向量;ρs為面電荷密度。

本文中,空間電荷密度ρ為0 C/m3,圓盤(pán)和中間的圓柱采用Steel AISI 4340,其相對(duì)介電常數(shù)為1。靜電紡絲模型中空氣模型的六個(gè)面的邊界條件為零電荷對(duì)稱(chēng),因此其對(duì)應(yīng)的公式應(yīng)為:

nD=0

(3)

當(dāng)ρs=0時(shí),即兩種介質(zhì)分界面上沒(méi)有自由電荷分布,COMSOL Multiphysics?5.6軟件模擬時(shí)對(duì)應(yīng)的邊界條件為連續(xù)。

基于以上原理,通過(guò)COMSOL Multiphysics?5.6軟件進(jìn)行靜電場(chǎng)模擬可以得到靜電紡絲過(guò)程中場(chǎng)強(qiáng)大小和分布情況。

2 建模與模擬

在三維建模軟件Solidworks中建立模型,將其導(dǎo)入COMSOL Multiphysics有限元仿真模擬軟件中進(jìn)行靜電場(chǎng)的模擬。建立的模型的樣品圖片如圖1所示。

由圖1可知,整個(gè)裝置由一根空心圓柱以及8個(gè)(或者偶數(shù)個(gè))中間空心的圓盤(pán)組成。紡絲液從圓柱兩端進(jìn)入,流入圓盤(pán)下端,噴絲孔處受到高壓電壓的加持,形成紡絲射流。圓盤(pán)一側(cè)的噴絲孔放大圖如圖2所示。

圖1 陣列圓盤(pán)式噴嘴及無(wú)針頭靜電紡絲設(shè)備Fig.1 Array disc capillary spinneret and needleless electrospinning equipment

圖2 紡絲頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Sketch of the spinneret hole on the disc

在圖2中,清晰地看到噴絲孔排列方式不在同一水平線。裝置水平放置時(shí),相鄰噴絲孔之間的夾角為30°,噴絲孔與鉛垂線的角度為15°,因此可以避免噴絲孔之間的相互影響。此外,由于圓盤(pán)數(shù)量越多,各個(gè)紡絲孔處受到庫(kù)侖斥力產(chǎn)生疊加,越靠外的紡絲頭受到的庫(kù)侖斥力總和就越大,場(chǎng)強(qiáng)越大,中間位置的紡絲孔場(chǎng)強(qiáng)越小,所以最外側(cè)的圓盤(pán)上面不設(shè)置紡絲孔,將最外側(cè)兩個(gè)圓盤(pán)當(dāng)作輔助電極來(lái)減弱邊緣效應(yīng),產(chǎn)出更均勻的納米纖維膜。

采用三維建模軟件Solidworks建立仿真模型并導(dǎo)入COMSOL Multiphysics?5.6中進(jìn)行仿真模擬。簡(jiǎn)易的靜電紡裝置如圖1所示,由圓盤(pán)式噴嘴、收集器和空氣域構(gòu)成。其中圓盤(pán)式噴嘴由圓盤(pán)、空心軸和噴絲頭組成;紡絲噴嘴距收集器距離為80 mm,噴嘴和收集器位于空氣域的正中心位置。

設(shè)計(jì)控制變量實(shí)驗(yàn),從圓盤(pán)數(shù)量N、圓盤(pán)外徑R、圓盤(pán)間距d、中心軸直徑R0、輔助電極、接收距離D、和施加電壓7個(gè)方面研究對(duì)靜電紡絲過(guò)程中電場(chǎng)分布的影響。在其他條件不變的情況下,只改變單因素的量,使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件模擬,導(dǎo)出電場(chǎng)強(qiáng)度具體數(shù)值進(jìn)行分析。模型參數(shù)如表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Model parameter setting

將不同參數(shù)模型導(dǎo)入有限元仿真模擬軟件COMSOL Multiphysics?5.6對(duì)靜電紡絲過(guò)程中形成的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬分析,紡絲頭結(jié)構(gòu)靜電紡絲體系模型包括噴絲頭、接收板和空氣域三部分。

三維模型和接收板部分定義的材料為Steel AISI 4340,該材料的電導(dǎo)率為4.032×106S/m,熱膨脹系數(shù)為12.3×10-6K-1?？諝獠糠侄x的材料則是Air,其電導(dǎo)率為0。

模擬步驟為:a)將建立好的靜電紡絲模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics?5.6有限元分析軟件中;b)定義靜電紡絲設(shè)備材料屬性;c)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;d)設(shè)定無(wú)限遠(yuǎn)邊界;e)施加載荷;f)求解;g)后處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 陣列圓盤(pán)式噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)紡絲頭場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

3.1.1 輔助電極對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件對(duì)兩側(cè)圓盤(pán)是否充當(dāng)輔助電極的紡絲頭進(jìn)行模擬計(jì)算,可獲得紡絲頭電場(chǎng)云圖及各紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值大小。圖3(a)為不加輔助電極和增加輔助電極的紡絲頭電場(chǎng)云圖,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值和CV值如圖3(b)所示。

由圖3(a)所示,加輔助電極電場(chǎng)云圖整體顏色均勻度相比于不加輔助電極較為均勻,這是由于圓盤(pán)之間存在相斥庫(kù)倫力,導(dǎo)致邊緣處圓盤(pán)電場(chǎng)強(qiáng)度比中部圓盤(pán)電場(chǎng)強(qiáng)度高,圓盤(pán)數(shù)量越多,邊緣效應(yīng)愈加顯著。由圖3(b)可知,加輔助電極場(chǎng)強(qiáng)變化較小,但CV值差別顯著。不加輔助電極時(shí),場(chǎng)強(qiáng)值為1.12×106V/m,CV值為10.29%。加輔助電極時(shí),場(chǎng)強(qiáng)值為1.06×106V/m,CV值為3.32%。因此可得,邊緣兩側(cè)圓盤(pán)充當(dāng)輔助電極對(duì)電場(chǎng)均勻性影響顯著[7],使電場(chǎng)分布更加均勻,適合紡絲。

3.1.2 圓盤(pán)數(shù)量對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件對(duì)不同圓盤(pán)數(shù)量的紡絲頭進(jìn)行模擬計(jì)算,可獲得不同圓盤(pán)數(shù)量紡絲頭電場(chǎng)云圖及各紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值大小。紡絲頭電場(chǎng)云圖可以直觀看到電場(chǎng)強(qiáng)度變化,紡絲頭顏色越靠近紅色,場(chǎng)強(qiáng)越高。圖4為圓盤(pán)數(shù)量是8、10、12的電場(chǎng)云圖,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值和CV值如圖5所示。

圖4 不同圓盤(pán)數(shù)量的紡絲頭的電場(chǎng)云圖Fig.4 Electric field cloud diagram of the spinneret with different numbers of discs

如圖4所示,隨著圓盤(pán)數(shù)量的減少,圓盤(pán)邊緣顏色越靠近紅色。由此可知,隨著圓盤(pán)數(shù)量的增加,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。由于紡絲頭為中心對(duì)稱(chēng)圖形,所以施加電壓時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電荷也對(duì)稱(chēng)[8]。由于靜電紡絲過(guò)程中會(huì)在噴絲孔下面形成泰勒錐,因此需研究噴絲孔下端1 mm處坐標(biāo)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。從圖5可知,隨著圓盤(pán)數(shù)量的增加,紡絲頭平均場(chǎng)強(qiáng)隨之減小,紡絲頭的場(chǎng)強(qiáng)均勻性也隨之變化。當(dāng)圓盤(pán)數(shù)量為8時(shí)CV值為1.31%場(chǎng)強(qiáng)平均值最大為1.15×106V/m,雖然這種情況下紡絲頭的場(chǎng)強(qiáng)最大,但由于場(chǎng)強(qiáng)CV值相對(duì)而言最大,易產(chǎn)生不穩(wěn)定的射流,會(huì)直接影響纖維質(zhì)量。綜合來(lái)看圓盤(pán)數(shù)量為10時(shí),場(chǎng)強(qiáng)CV值較小為1.28%,且場(chǎng)強(qiáng)平均值相對(duì)較大為1.14×106V/m,該圓盤(pán)數(shù)量更適合紡絲。

圖5 圓盤(pán)數(shù)量對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.5 Influence of the number of disks on the field strength and CV values

3.1.3 圓盤(pán)間距對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件對(duì)不同圓盤(pán)間距的紡絲頭進(jìn)行模擬計(jì)算,可獲得不同圓盤(pán)間距紡絲頭電場(chǎng)云圖及各紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值大小。圖6為圓盤(pán)間距是10、20、30、40、50 mm的電場(chǎng)云圖,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值和CV值如圖7所示。

圖6 不同圓盤(pán)間距的紡絲頭的電場(chǎng)云圖Fig.6 Electric field cloud diagram of the spinneret with different disc spacings

圖7 圓盤(pán)間距對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.7 Influence of disk spacing on field strength and CV values

由圖6可知,隨著圓盤(pán)間距的增加,不同圓盤(pán)邊緣的顏色差在減弱,顏色均勻表明場(chǎng)強(qiáng)分布均勻。由此可得間距越大,場(chǎng)強(qiáng)分布越均勻在其他條件不變的情況下,根據(jù)電場(chǎng)疊加原理可知,相鄰圓盤(pán)之間存在互相排斥的庫(kù)倫斥力,當(dāng)圓盤(pán)間距越大時(shí),電場(chǎng)干擾會(huì)越小,因此圓盤(pán)上噴絲孔附近的電場(chǎng)分布越均勻。從圖7可知圓盤(pán)間距對(duì)電場(chǎng)均勻性的影響較大。當(dāng)圓盤(pán)間距增大時(shí),噴絲孔處電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大且CV值不斷減小,但圓盤(pán)間距增大到一定數(shù)值時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度和CV值減小幅度都在變小。當(dāng)圓盤(pán)間距為50 mm,此時(shí)紡絲位點(diǎn)平均場(chǎng)強(qiáng)最大為1.16×106V/m且CV最小為0.73%。可見(jiàn)增加圓盤(pán)間距是提高場(chǎng)強(qiáng)均勻性最高效的方式,但間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致射流相隔較遠(yuǎn),收集裝置收集的纖維相隔較遠(yuǎn)不利于纖維成網(wǎng),容易出現(xiàn)中間厚兩邊薄的纖維網(wǎng)。因此,當(dāng)圓盤(pán)間距為40 mm時(shí),場(chǎng)強(qiáng)平均值較高為1.14×106V/m且CV值相對(duì)較小為1.28%,紡絲效果更好。

3.1.4 圓盤(pán)外徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件對(duì)不同圓盤(pán)外徑的紡絲頭進(jìn)行模擬計(jì)算,可獲得不同圓盤(pán)外徑紡絲頭電場(chǎng)云圖及各紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值大小。圖8為圓盤(pán)外徑是40、50、60 mm的電場(chǎng)云圖,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值和CV值如圖9所示。

圖8 不同圓盤(pán)外徑的電場(chǎng)云圖Fig.8 Electric field cloud diagram of different disc outer diameters

圖9 圓盤(pán)外徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.9 Influence of the disk outer diameter on field strength and CV values

由圖8可知,隨著圓盤(pán)外徑的增加,圓盤(pán)邊緣紅色區(qū)域減小,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。在物理學(xué)中,導(dǎo)體表面曲率越大,導(dǎo)體表面電荷密度越大,場(chǎng)強(qiáng)越大[10]。由于在其他條件不變的情況下,隨著圓盤(pán)外徑增加,圓盤(pán)曲率隨之減小,所以隨著圓盤(pán)外徑的增加,場(chǎng)強(qiáng)隨之減小。從圖9可知,隨著圓盤(pán)外徑的增加,場(chǎng)強(qiáng)平均值隨之減少,CV值隨之增加。但場(chǎng)強(qiáng)值和CV值變化范圍較小,所以圓盤(pán)外徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)平均值和CV值的影響較小。綜合來(lái)看,當(dāng)圓盤(pán)外徑為40 mm時(shí),場(chǎng)強(qiáng)值最大為1.17×106V/m,CV值最小為1.28%最適合紡絲。

3.1.5 中心軸直徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

使用COMSOL Multiphysics?5.6仿真軟件對(duì)不同中心軸直徑的紡絲頭進(jìn)行模擬計(jì)算,可獲得不同中心軸直徑紡絲頭電場(chǎng)云圖及各紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值大小。圖10為中心軸直徑是5、10、15、20、25 mm 的電場(chǎng)云圖,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度平均值和CV值如圖11所示。

圖10 不同中心軸直徑的電場(chǎng)云圖Fig.10 Electric field cloud diagram of different central shaft diameters

由圖10可知,隨著中心軸直徑的增加,圓盤(pán)邊緣紅色區(qū)域減小,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。由于在其他條件不變的情況下,隨著中心軸直徑的增加,紡絲頭整體體積在變大,中心軸也占據(jù)一部分電荷。因此隨著中心軸直徑的增加,場(chǎng)強(qiáng)隨之減小。從圖11可知,隨著中心軸直徑的增加,場(chǎng)強(qiáng)平均值和CV值隨之減小,但CV值下降幅度小,說(shuō)明中心軸直徑的變化對(duì)電場(chǎng)分布均勻性影響較小。當(dāng)中心軸直徑為5 mm 時(shí),紡絲位點(diǎn)平均場(chǎng)強(qiáng)最大值為1.33×106V/m,但其CV值也是最大值為1.78%,紡絲均勻性較差。因此,綜合考慮選擇中心軸直徑為10 mm的紡絲頭,其電場(chǎng)強(qiáng)度較大值為1.29×106V/m,CV值為1.56%,較為適合紡絲。

圖11 中心軸直徑對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.11 Influence of central axis diameter on field strength and CV values

3.2 紡絲工藝參數(shù)對(duì)紡絲頭場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

3.2.1 施加電壓對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

在靜電紡絲過(guò)程中,當(dāng)電場(chǎng)庫(kù)倫斥力大于表面張力時(shí)才能激發(fā)射流,在電場(chǎng)力的作用下進(jìn)行牽伸形成纖維[11]。因此外加電壓在靜電紡絲過(guò)程中對(duì)電場(chǎng)分布的影響十分重要,圖12為施加不同電壓條件下紡絲位點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)平均值和CV值變化趨勢(shì)。

圖12 外加電壓對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.12 Effect of applied voltage on field strength and CV values

由圖12可知,紡絲位點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著外加電壓的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)規(guī)律相同。適當(dāng)?shù)脑龈唠妷翰粌H可以提高纖維產(chǎn)率,而且有利于纖維成型以及細(xì)化[12]。但是電壓過(guò)高會(huì)使射流量變大,射流速度過(guò)快,導(dǎo)致射流不能及時(shí)拉伸分裂,從而使纖維直徑變大甚至導(dǎo)致串珠納米纖維[13]。而且高電壓容易引起空氣擊穿,十分不安全。所以需選擇合適的電壓才能生產(chǎn)高質(zhì)量納米纖維。從圖11可以看出電壓對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的平均值影響較大,隨著電壓的增加,電場(chǎng)強(qiáng)度也同幅度地增加,電壓對(duì)靜電紡絲過(guò)程中電場(chǎng)均勻性影響幾乎沒(méi)有,CV值沒(méi)有變化。因此,綜合來(lái)看,當(dāng)電壓為25 kV時(shí),場(chǎng)強(qiáng)較大值為1.61×106V/m,CV值為1.56%,紡絲參數(shù)最佳。

3.2.2 1.2.2接收距離對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

紡絲頭與收集裝置之間的工作距離決定了電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和射流沉積到收集板上的不穩(wěn)定階段。需要相對(duì)較長(zhǎng)的距離來(lái)確保射流的完全延伸和凝固,從而形成固體纖維。一般來(lái)說(shuō),隨著距離的增加,會(huì)形成更細(xì)的纖維。當(dāng)噴絲頭尖端與收集裝置之間的距離過(guò)長(zhǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)過(guò)低,液滴不會(huì)產(chǎn)生射流,容易引發(fā)紡絲頭堵塞。不同接收距離條件下紡絲位點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)平均值和CV值如圖13 所示。

圖13 接收距離對(duì)場(chǎng)強(qiáng)和CV值的影響Fig.13 Influence of receiving distance on field strength and CV values

由圖13可知,噴絲孔位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小隨著接收距離的增大而減小。在物理學(xué)中,根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度公式E=U/d可知兩點(diǎn)間的電壓一定的情況下,接收距離越大,電場(chǎng)強(qiáng)度就越小。從圖13可以看出隨著接收距離的增加,場(chǎng)強(qiáng)平均值也逐漸減小。接收距離的變化對(duì)紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)分布均勻性的影響不顯著。當(dāng)接收距離為80 mm時(shí),場(chǎng)強(qiáng)最高,場(chǎng)強(qiáng)值為1.61×106V/m,CV值為1.56%,電場(chǎng)均勻性好,適合紡絲。在實(shí)際的紡絲過(guò)程中,接收距離還需結(jié)合實(shí)際的聚合物溶液的性質(zhì)和外加電壓來(lái)確定,不能靠一味地縮短接收距離來(lái)提高電場(chǎng)強(qiáng)度。如果接收距離小,導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不完全,射流牽伸不充分,纖維不能很好地固化成型。同時(shí)接收距離的縮短也會(huì)使“鞭動(dòng)”不穩(wěn)定區(qū)域變小,而鞭動(dòng)過(guò)程會(huì)使紡絲射流發(fā)生劈裂而降低纖維直徑。因此,接收距離過(guò)大時(shí)生產(chǎn)的纖維直徑也會(huì)變粗,與文獻(xiàn)結(jié)論相一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)陣列圓盤(pán)式紡絲頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)其場(chǎng)強(qiáng)的有限元模擬,結(jié)論如下:

a)在其他條件一定的情況下,圓盤(pán)充當(dāng)輔助電極對(duì)電場(chǎng)均勻性影響顯著;隨著圓盤(pán)數(shù)量的增加,紡絲位點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值與CV值隨之減少;隨著圓盤(pán)間距增加,場(chǎng)強(qiáng)逐漸增加,CV值顯著減小;隨著圓盤(pán)外徑增加,場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小,CV值變化較小;隨著中心軸直徑增加,場(chǎng)強(qiáng)隨之減小,電場(chǎng)均勻性無(wú)顯著變化;外加電壓與接收距離對(duì)場(chǎng)強(qiáng)值影響較大。

b)經(jīng)多組模型對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)數(shù)量為10個(gè)、圓盤(pán)間距為40 mm、圓盤(pán)外徑為40 mm、中心軸直徑為10 mm、接收距離為80 mm,電壓為25 kV時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度平均值為1.61×106V/m,CV值為1.56%,紡絲位點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度較高且分布極其均勻,消除了邊緣效應(yīng)。實(shí)際靜電紡絲時(shí),外加電壓與接收距離則結(jié)合靜電紡絲情況擇優(yōu)使用。