基于UG NX的多噴頭靜電紡絲裝置設(shè)計與仿真分析*

谷潤潤，苗鵬杰，吳業(yè)北，張金霞，喬禎祥，李守柱

（新疆理工學(xué)院，新疆阿克蘇 843000）

0 引言

21 世紀(jì)以來，納米技術(shù)在眾多領(lǐng)域的成功應(yīng)用推動其快速發(fā)展。納米纖維主要是指在三維尺度上有兩維的尺寸處于納米范圍內(nèi)的線狀的材料[1]。近年來發(fā)展了許多制備納米纖維的方法，如拉伸法、模板合成法、自組裝法和靜電紡絲等，而靜電紡絲是一種成本較低、裝備簡單、生產(chǎn)效率較高的能夠直接、連續(xù)高效制備聚合物納米纖維的方法。

靜電紡絲技術(shù)所制備的納米纖維可以廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如生物醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、微電子制造、新能源材料、食品科學(xué)等［2］。然而傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置為單噴頭，生產(chǎn)效率較低，單噴頭靜電紡絲機(jī)的生產(chǎn)率只能達(dá)到（0.1～1）g∕h，且單噴頭容易堵塞，從而影響自動化生產(chǎn)，人工疏通導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高，進(jìn)而影響其產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化。針對這一問題，相關(guān)研究者提出了多噴頭靜電紡絲技術(shù)和無噴頭靜電紡絲技術(shù)，這也是目前提高產(chǎn)量和推進(jìn)工業(yè)化應(yīng)用最普遍的方法。因此本文旨在提高納米纖維的產(chǎn)量和解決噴頭堵塞問題，研究與設(shè)計一種新型的、操作簡便且性能穩(wěn)定的靜電紡絲裝置，根據(jù)靜電紡絲基本原理，對堵塞的噴頭通過疏通裝置進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，解決靜電紡絲噴頭堵塞的難題，驗(yàn)證裝置的基本性能及可行性，有利于進(jìn)一步提高在靜電紡絲噴頭連續(xù)供液能力，該噴頭疏通裝置為靜電紡絲設(shè)備的研發(fā)和優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持[3]。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)的靜電紡絲裝置一般采用單噴頭進(jìn)行紡絲，效率較低，為了批量化制備納米纖維，提高靜電紡絲的效率，本文設(shè)計一種新型多噴頭靜電紡絲裝置，主要由供液裝置、疏通裝置、噴頭裝置、收集裝置、輔助裝置等部分組成。輔助裝置又包括高壓電源、照明及箱體[4]。其中，儲液罐固定于箱體上方，靜電紡絲原料從儲液室中通過輸液軟管輸送到噴頭里面。將可紡溶液置于供液裝置中，噴頭上外加了高電壓，使液滴表面帶同種電荷，溶液在噴嘴處形成液滴后會在電場力的作用下產(chǎn)生電荷的移動，最終液滴在靜電力與內(nèi)應(yīng)力的共同作用下形成“泰勒錐”［5］，最終納米纖維沉積在接收板上。當(dāng)噴頭堵塞時，疏通針支架通過氣缸驅(qū)動疏通針支架，帶動疏通針下降，清除堵塞的噴頭中殘留凝固物，能夠?qū)崿F(xiàn)快速地疏通和清潔噴頭；接收裝置可以通過電機(jī)帶動凸輪分割器使接收板可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)接收板可以沿著直線滑軌進(jìn)行前后運(yùn)動，靜電紡絲結(jié)束完成后，靜電紡絲接收裝置可以沿軌道取出納米纖維，這樣對于接收板更換與檢修更加方便，提高了工作效率。新型多噴頭靜電紡絲裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多噴頭靜電紡絲裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 靜電紡絲制備納米纖維的影響因素

2.1 紡絲液性質(zhì)

紡絲液性質(zhì)影響因素主要包括紡絲液黏度、導(dǎo)電性、表面張力，紡絲液一般由聚合物和溶解聚合物的溶劑組成[6]。紡絲液黏度越大，聚合物分子鏈越易纏結(jié)，射流越不穩(wěn)定，紡絲難度較大，不易制得直徑分布均勻的納米纖維。但是黏度小無法形成射流，只能形成微滴，因此配制適宜黏度的紡絲液是靜電紡絲的關(guān)鍵第一步；在靜電紡絲過程中，選擇導(dǎo)電性高的溶劑是最簡單直接的方法。紡絲液的導(dǎo)電性提高，溶液表面的電荷密度相應(yīng)增加，射流時受到更大的電場力，利于制備直徑較小的納米纖維。靜電紡絲過程中，當(dāng)靜電斥力大于溶液的表面張力時紡絲液才會形成射流，紡絲液的表面張力不僅影響泰勒錐的形成，而且還影響射流在高壓場中的運(yùn)動及分裂，對纖維的形貌有決定性作用[7]。

2.2 操作條件

操作條件影響因素主要包括電壓、接收距離、紡絲液噴射速度，電壓直接決定紡絲液能否形成射流，保證靜電紡絲的順利進(jìn)行；射流裝置和接收器之間的距離和紡絲液的噴射速度影響著納米纖維的直徑和形貌，因此這3 方面對紡絲效果有影響，靜電紡絲操作條件的控制和優(yōu)化也至關(guān)重要[8]。

2.3 紡絲環(huán)境

紡絲環(huán)境影響因素主要包括紡絲溫度和紡絲濕度。紡絲溫度對靜電紡絲有一定的影響，升高溫度有利于溶劑的揮發(fā)，使射流在電場中快速固化，使納米纖維直徑增大。紡絲溫度變化還會直接影響紡絲液的黏度、表面張力及導(dǎo)電性。紡絲溫度升高，紡絲液的黏度和表面張力均減小，導(dǎo)電率提高，加快射流分子鏈的運(yùn)動速度，在電場力的作用下射流不穩(wěn)定性增強(qiáng)，容易形成珠結(jié)；濕度對靜電紡絲的影響主要表現(xiàn)在濕度會改變?nèi)軇┑膿]發(fā)性，濕度升高會降低溶劑的揮發(fā)速率，因此可以通過調(diào)節(jié)環(huán)境濕度對紡絲所得的納米纖維形貌進(jìn)行調(diào)控[9]。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 噴頭裝置設(shè)計

在紡絲過程中噴頭的數(shù)量是決定紡絲產(chǎn)量的直接因素，噴頭的排列方式則影響著收集裝置上電紡纖維的分布區(qū)域。噴頭需要有良好的導(dǎo)電效果，對于多針噴頭則需要使每個噴頭處的電壓趨于一致，結(jié)構(gòu)的設(shè)計也要盡可能避免電荷干擾和嚴(yán)重的電場屏蔽現(xiàn)象[10]。根據(jù)設(shè)備實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部尺寸大小，噴頭安裝箱長度為1 200 mm，噴頭到接收板距離為200 mm。另外，為了使所紡的納米纖維膜整體上較為均勻，噴頭的數(shù)量設(shè)置成偶數(shù)。噴頭數(shù)量的增加可以提高納米纖維產(chǎn)量，但是噴頭數(shù)量過高則會使電場強(qiáng)度普遍降低。通過綜合考慮，設(shè)計兩排靜電紡絲設(shè)備的紡絲噴頭共計26個，噴絲頭內(nèi)徑1.5 mm[11]。

3.2 疏通裝置設(shè)計

靜電紡絲疏通裝置主要包括疏通針支架、疏通針和升降裝置。疏通針支架為中空結(jié)構(gòu)，疏通針支架尺寸為1 000 mm×300 mm，疏通針最小直徑為1 mm，數(shù)量與噴頭安裝箱上的布置相同。升降裝置采用的是氣缸升降，氣缸的型號為SE63X100FB，兩組氣缸同時帶動疏通針進(jìn)行Z軸的直線運(yùn)動。氣缸的動力源由空氣壓縮機(jī)為氣缸進(jìn)行供氣工作。疏通針固定于疏通針支架上，疏通針固定的位置及排列方式與噴頭插口在噴頭安裝箱上的布置相同，升降裝置采用的是氣缸固定于空腔的內(nèi)部，疏通針支架與空腔的水平截面形狀及大小相同。疏通針的長度大于噴頭的長度，當(dāng)升降裝置降到最低點(diǎn)時，疏通針的下端伸出噴頭的下端。當(dāng)噴頭堵塞時，疏通針支架通過氣缸驅(qū)動疏通針支架，帶動疏通針下降，疏通堵塞的噴頭。疏通針支架的四周安裝有密封圈，避免了紡絲材料干擾升降裝置的工作，影響升降裝置的使用壽命[12]。

3.3 收集裝置設(shè)計

根據(jù)當(dāng)前納米纖維靜電紡絲收集裝置的分類，一般傳統(tǒng)收集有平板收集、滾筒收集和傳送帶收集方式。根據(jù)本文設(shè)計的靜電紡絲設(shè)備的實(shí)際需求，采用平板收集方式進(jìn)行收集納米纖維。其收集裝置最下面為直線滑軌，主要用來保證運(yùn)行的直線度，可以使上面所連接的結(jié)構(gòu)沿著直線滑軌進(jìn)行前后運(yùn)動。底板的下表面設(shè)置有與導(dǎo)軌相配合的凹槽，直線導(dǎo)軌的型號為IAS23-H42-L1000。靜電紡絲結(jié)束后，接收裝置可以沿軌道移動，方便物料取出及更換。設(shè)計轉(zhuǎn)接板的尺寸為1 100 mm×300 mm×20 mm，接收板的尺寸為1 100 mm×300 mm×70 mm，接收板的一面朝向噴頭安裝箱，與噴頭安裝箱的下表面平行。接收板上表面有接收基布，另一面的圓心有旋轉(zhuǎn)組件，主要由電機(jī)、凸輪分割器、轉(zhuǎn)接板、接收裝置組成，凸輪分割器的型號為140DT，配套電動額定功率750 W，電機(jī)驅(qū)動分割器可以實(shí)現(xiàn)繞中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[13]。

3.4 輔助裝置設(shè)計

靜電紡絲裝置整體尺寸大小在1 500 mm×1 300 mm×1 800 mm 范圍內(nèi)，其箱體外殼的作用是將所有的零部件組裝到一起，并為各個機(jī)構(gòu)提供良好的工作環(huán)境。箱體外殼的結(jié)構(gòu)主要分為頂蓋、靜電紡絲實(shí)驗(yàn)艙、上下側(cè)面板、合頁、上蓋、操作窗口門等。

本文采用圓柱形儲液罐進(jìn)行供液，尺寸為?300 mm×400 mm，并且通過輸液管與儲液罐相連接，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供應(yīng)紡絲液；由于納米纖維靜電紡絲設(shè)備的箱體為密閉型的，為了能夠更好地對設(shè)備的工作環(huán)境進(jìn)行觀察，在實(shí)驗(yàn)艙里設(shè)置了LED 照明燈，并設(shè)置了觀察窗口。

靜電紡絲實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫濕度是影響靜電紡絲實(shí)驗(yàn)的重要的環(huán)境因素，所以對設(shè)備的實(shí)驗(yàn)艙的溫濕度環(huán)境進(jìn)行實(shí)時檢測是很必要的。溫濕度的檢測可以確保該設(shè)備所有的靜電紡絲實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)都是在合理的溫濕度環(huán)境下進(jìn)行，如果經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)當(dāng)下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不利于進(jìn)行靜電紡絲，就可以及時停止，當(dāng)實(shí)驗(yàn)艙中的溫濕度較為適宜時再進(jìn)行納米纖維的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)[14]。溫濕度傳感器的型號選用AM2301，高壓電源電壓為20 kV。

4 靜電紡絲裝置運(yùn)動仿真分析

利用UG 軟件進(jìn)行幾何數(shù)模設(shè)計，在裝配模塊中將各個零部件裝配起來，得到整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行干涉檢査與分析，生成干涉信息報告，通過適當(dāng)修改，直至沒有任何干涉為止。進(jìn)行預(yù)先運(yùn)動仿真，保證零部件正常工作，進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時應(yīng)盡可能考慮輕量化，節(jié)約材料成本[15]。

在UG 里運(yùn)用Motion 插件進(jìn)行靜電紡絲疏通裝置簡單的運(yùn)動仿真分析，其設(shè)置參數(shù)如下[16]：一個滑動副J0002，函數(shù)公式為STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130），主要用于滑軌上組件的反復(fù)移動，接收裝置最下面安裝直線滑軌，接收板可以沿著直線滑軌進(jìn)行前后運(yùn)動，方面物料取出；一個旋轉(zhuǎn)副J0003，函數(shù)公式為STEP（x，0，0，30，360），主要用于整個臺面的旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)帶動凸輪分割器使接收板可以實(shí)現(xiàn)繞中心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動；一個滑動副J0004，函數(shù)公式為STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130） ，主要用于氣缸帶動組件的升降，可以實(shí)現(xiàn)氣缸推動疏通支架通過疏通針上下疏通堵塞噴頭的殘留凝固物。

5 結(jié)束語

本文以靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維為背景，結(jié)合靜電紡絲工藝要求，研究與設(shè)計一種新型靜電紡絲噴頭疏通裝置，旨在解決靜電紡絲工藝過程中出現(xiàn)的噴頭堵塞的問題，提供一個穩(wěn)定的噴頭疏通裝置，保證能夠疏通噴頭，并且能夠獲得靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維的沉積形貌和質(zhì)量。經(jīng)過三維建模與運(yùn)動仿真表明，設(shè)計的新型靜電紡絲噴頭疏通裝置能夠較好地疏通噴頭殘留凝固物并且具有較高的穩(wěn)定性，能夠達(dá)到一定的優(yōu)化與改進(jìn)效果，但后續(xù)可以通過物理樣機(jī)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證理論設(shè)計，分析疏通噴頭的效果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，為靜電紡絲裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，具有重要的學(xué)術(shù)意義、實(shí)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。