规模化静电纺丝过程中场强的改善研究

刘延波，张立改，杨媛媛，任 倩，Samman H. Bukhari，曹 红，陈文洋

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387； 2.天津工业大学教育部先进纺织复合材料重点实验室，天津 300387； 3.武汉纺织大学纺织科学与工程学院，武汉 430200)



规模化静电纺丝过程中场强的改善研究

刘延波1,2,3，张立改1，杨媛媛1，任 倩3，Samman H. Bukhari3，曹 红1，陈文洋1

(1.天津工业大学纺织学院，天津 300387； 2.天津工业大学教育部先进纺织复合材料重点实验室，天津 300387； 3.武汉纺织大学纺织科学与工程学院，武汉 430200)

多针头静电纺丝技术被认为是提高纳米纤维产量的有效方法，但是实际生产中针头的场强分布会出现严重“边缘效应(End effect)”，场强均匀性控制存在困难，影响了纺丝产量的提高和静电纺丝技术的工业化实施。通过采用COMSOL Multiphysics 多物理场有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中场强的分布及大小进行模拟研究，提出了一种在纺针周围加金属套管的屏蔽措施对多针头静电纺场强的大小及均匀度实施改进，并通过有限元软件对上述解决措施进行仿真和评价。结果表明，在最佳工艺参数下，场强大小及分布均匀性可得到有效控制和改善，从而减轻或消除规模化静电纺丝过程中场强不均衡现象、提高纺丝场强，达到提高纺丝效率和产量、降低生产成本、提高生产利润的目的。

多针头静电纺 有限元分析 场强改善 金属套管 屏蔽措施

0 引言

静电纺丝技术是目前唯一可以用来规模化生产纳米纤维、且适合于制备各种聚合物纳米纤维的新兴纺丝技术，已经在全世界范围内得到了广泛研究和重视，所得电纺膜/纳米纤维材料的应用领域已经涵盖工业气/液过滤、卫生防护、电子电气、生物医疗、航空航天等多个领域[1-2]，而且发展出基于不同原理的、多种不同的静电纺丝技术，主要包括针头式静电纺和无针头式静电纺[2]。前者已经被全球静电纺丝研究工作者用于各种纳米纤维材料的实验室制备，也被美国的NanoStatics,eSpin,DuPont，韩国的TopTech以及中国的江西先材、河南三门峡特种膜等公司用于工业化制备纳米纤维，特别是最近几年，随着静电纺丝技术的工业化发展而迅速出现的中小型静电纺设备制造商和纳米纤维材料开发商均采用针头式静电纺丝技术，原因是其生产设备简单、易于搭建，所得纤维细度较细且均匀[3]，纺丝过程封闭，易于实现过程稳定，更换品种方便，适合生产多组份纳米纤维材料，且喂液量和纤维细度可控，适合薄形纳米纤维非织造布的生产。但是针头式静电纺仍然存在针头易堵、实际纺丝效率不高、产品结构不均匀的问题。

为了克服针头式静电纺丝技术存在的上述问题，无针头静电纺丝技术应运而生，包括转辊式、螺旋弹簧式、螺旋叶片式、金属齿条式以及气泡式、离心式、超声波式等方法，带来了静电纺丝技术的飞跃，引起了近年来静电纺丝技术工业化迅猛发展。无针头静电纺虽然产量高、速度快，纺丝射流间的干扰小，但是纤维偏粗且细度不匀率较高，喂液量和产品质量难以控制，只适合生产较厚纳米纤维薄膜产品[4-5]。因此，多针头静电纺在产业化方面仍然具有存在和发展的价值，值得进一步研究和讨论。

然而，多针头静电纺丝过程中出现的“End effect”现象[6-7]，即多个针头直线排列时，针排两侧的针头出来的纺丝射流向两侧偏移，多针头出来的射流间相互排斥严重(如图1所示)的现象，会造成纺丝射流分布不匀，严重影响电纺膜的结构均匀性、纺丝效率及产量，加上针头易堵等问题，使其工业化难以实现。因此，对多针头静电纺丝过程和机理进行研究、对场强分布进行分析、开发一种改善场强大小和均匀性、保持射流稳定的方法非常必要。

课题组前期对多针头静电纺丝过程中出现的End effect 现象已经进行过初步研究和分析[8-9]，发现该现象的存在实际上是由于场强分布不匀造成的，也就是场强大小从中间到两边依次增强造成的，实质原因是由于不同位置的针头上累积的库伦斥力不同引起的。本文提出了一种改善多针头静电纺丝场强的新措施，即在每个纺针上套上一定规格的金属套管，以期对纺针间的电场干扰进行屏蔽，并利用COMSOL有限元软件在2D平面上对该措施进行建模、系统模拟和理论分析，探索最佳金属套管结构参数，以便达到提高场强及其均匀性、减弱或消除End effect的目的。

图1 多针头静电纺丝过程中的“End Effect”现象[4,5]

1 COMSOL原理与建模

1.1 COMSOL模拟静电场强分布的原理

COMSOL Multiphysics有限元模拟软件中，对静电场强的模拟遵循泊松方程，公式如1所示:

-dε0εrV=dP

公式(1)

式中，ε0和εr分别为真空介电常数和介质的相对介电常数；ρ和V分别为空间电荷密度和电势能。

模拟中涉及到的空间电荷密度ρ为0 C/m3，接收板和纺丝电极采用金属材质(刚)，其相对介电常数为1.5。根据等式2和等式3可得出对应的场强值和电位移矢量。

E=-V

公式(2)

D=ε0εrE

公式(3)

其中，E为场强；V为电势能；D为电通量密度；ε0与εr和公式1的含义相同。

在边界条件设定中，根据公式4对各边界条件进行约束。

-nD=ρs

公式(4)

式中，n为界面的法向量；ρs为面电荷密度。

另外，静电纺丝模型中空气模型的六个面的边界条件为零电荷对称，因此其对应的公式应为式5所示。

nD=0

公式(5)

介质的分界面上没有自由电荷时，ρs=0，即n×(D1-D2)=0，在COMSOL中对应的边界条件为连续[8]。

基于上述原理，通过以下几个步骤可以得到静电纺丝过程中场强大小和分布情况。(1)将建立好的静电纺丝模型导入到COMSOL有限元分析软件中；(2)定义静电纺丝设备材料属性；(3)对模型进行网格划分；(4)设定无限远边界；(5)施加载荷；(6)求解；(7)后处理[10]。

1.2 COMSOL模拟过程、建模及参数

模拟过程中，空气场的边界设定为零电荷/对称的条件，以实现有限范围内静电纺丝周围环境为无限远。纺针4条边界施加预设的电压值，接收板接地，其余边界条件均为连续。图2a为静电纺丝设备的模型简图，主要参数和规格如表1所示。图2b为对应的模拟结果图(为了显示更清晰，喷丝板设为隐藏模式)。

图2 静电纺丝模拟模型简图a与模拟结果图b

表1 静电纺丝模型基本参数模拟

其中，纺针和接收板的材质为钢铁，喷丝板为PTFE材质，无限远边界定义为空气场。从图3b中可以看到模型中各部分颜色呈现一定规律的分布状态，由针头向外逐渐由红色变化为蓝色(暖色调到冷色调)，根据图中的右侧颜色分布条带所代表的含义，颜色的变化体现了不同位置场强大小的变化，即暖色调的红色代表该图中场强高，而在向冷色调的蓝色的变化中说明该位置场强不同程度的减小。因此，在靠近静电纺丝头的一侧颜色更靠近暖色调代表该范围内场强更大一些；在接近接收板方向，随着与静电纺丝头距离的加大，不同位置的颜色趋向贴近冷色调，说明此方向上场强在逐渐的减小。从分布图中很容易观察到针头式静电纺丝过程中针头到接收板的场强变化趋势：对于单独的针头而言，最大场强出现在每个针头的针尖部位，纺丝液容易在针尖形成泰勒锥，在电场力的作用下被抽长拉细形成纺丝射流，最弱场强出现远离针尖的区域，包括针身和接收板周围区域。本文中每根针头上的场强值都指的是场强的峰值，及根据划分网格的标准，选择模拟结果的最大值代表此根针上的场强值；场强均值指的是模拟的多针头的各根针的平均值。

本文将广义静电屏蔽原理[11-12]用于多针静电纺丝头的场强改善设计过程中，就是利用管状金属材料的存在减小相邻电场对纺针电场的干扰作用，抑制各根针之间场强的相互影响，但场强值不会等于零，利用金属本身的性能保持射流稳定和阻隔周围针对此针的静电感应。

2 模拟结果

2.1 施加金属套管的场强分布

本文采用金属材质外壳对五针头静电纺丝装置进行场强改善。单针头是由金属空心套管形成的屏蔽套组成，其模型如图3所示：H为金属套管到针尖的距离，L为屏蔽装置与针身的距离，金属套管的厚度为1mm。五针头施加金属套管的模型图如图4所示。

图3 带屏蔽装置的针头

图4 带屏蔽装置的五针头模型图

在五根纺针上分别施加12000V的正电压，接收板加8000V的负电压，对其场强分布与大小用Comsol仿真模拟软件进行模拟与分析，从模拟结果(如表2所示)分析：套有金属套管的场强峰值比没有套管的场强要大，且套有金属空心套管且接地的场强峰值要比无屏蔽装置的场强峰值增加了约1.7倍(前者场强均值为7.28×105V/m，无金属套管的场强为4.25×105V/m)；仅套有金属套管的场强分布与没采取任何措施的场强分布云图相似，即存在着两边场强大而中间小(End effect)的现象，分布极不均匀，说明金属套管没有起到屏蔽的作用，只是场强值比后者略有增加(前者为4.31×105V/m，后者为4.25×105V/m)，这可能是因为金属套管干扰电荷的分布，通过静电作用产生的感应电荷的场强增强了针尖的场强，使场强峰值增大；采取屏蔽措施且金属空心套管外表面接地的针头场强分布在金属套管的范围内，每根针的场强分布相互独立，且其值几乎相等；由表中第3行说明：金属套管接地的每根针上颜色分布相同，且方向都垂直指向接收板(见图5(b))；而未采取屏蔽措施的边缘针的电场线向外偏移且中间针的电场线相对稀疏(见图5(a))，同时金属套管接地时的值要比其他两者都要大很多，可以断定接地的金属套管确实起到了屏蔽作用，且使每根针上的电场相互影响减小，电场分布趋向稳定。通过查看每个节点处的场强值发现，无金属套管的接收板两端节点场强值为3.5×105V/m，中间节点场强值为1.6×105V/m，金属套管接地的接收板两端节点场强值为2.8×105V/m，中间节点场强值为1.1×105V/m，金属套管接地的接收板场强比未接地情况下接收板上的场强值整体要小。

表2 金属套管模拟结果

图5 采取屏蔽措施(a)与未采取屏蔽措施(b)的场强矢量图

2.2 金属套管的参数优化

接下来探讨了金属套管的参数对场强分布的影响：套管与针身的间隙L、金属套管与针尖的距离H、针头与金属套管的压差和纺针与接收板的压差比值是影响场强大小与分布的几个重要因素，其中套管与针身的间隙L决定了金属套管与针身的距离，金属套管与针尖的距离决定了针头探出的距离。本文对上述两个主要因素对场强分布的影响做了进一步深入的研究。

在套管与针身的间隙L为7mm，金属套管的厚度为1mm的条件下，金属套管与针尖的距离H分别为0mm、1mm、3mm、5mm、7mm、l0mm时的场强进行模拟(考虑到静电屏蔽的效应，以下模拟中的套管高度的设置均不会高于纺针，否则会使纺针完全屏蔽，使得纺针与套筒之间产生极大的场强，影响纺丝工艺)，结果见图6所示，可以看出当金属套管与针尖的距离H为1mm、3mm时，五根针上的场强分布相互独立，且最大场强值出现在针尖上；随着H的增大，场强峰值逐渐增大(如图7)。而H为5mm、7mm、l0mm时，五个针头上的场强叠加在一起，H越大，叠加的面积越大，即再继续增大H值屏蔽效果变差，金属套管感应的场强反而增大，对屏蔽效果不利。因此可以选择H为7mm的金属空心套管做金属套管，且此时场强峰值最大，达到7.8×105V/m。

查看1#、2#、3#针上的场强值，发现随着H的增加，在(1～3)mm范围内，针头上的场强值增大，在(5～10)mm范围内，各针头上的场强值在逐渐减小。从这两部分的结果可知，金属套管离针尖的距离应该不能太小，在3mm时达到最好的屏蔽效果且针尖的场强值较大。另外并不是H越小越好，当H很小时，金属套管感应了很强的场强，从而削弱了针头的场强。

图6 金属套管H对场强分布的影响

(a:H=10mm b:H=7mm c:H=5mm d:H=3mm e:H=1mm f:H=0mm )

图7 套管至针尖的距离H与针头上场强峰值的关系

在金属套管与针尖的距离H为3mm，金属金属套管的内径为10mm，金属屏蔽装置的厚度为1mm的条件下，套管与针身的间隙L分别为0mm、1mm、3mm、5mm、7mm、l0mm时的场强分布进行模拟，1#、2#、3#针节点的场强值如图8所示：随着套管与针身的间隙L的增加，各针尖的场强值有下降的趋势，但在套管与针身的间隙L分别为1mm、3mm、5mm时场强最大值出现在屏蔽装置上，由于套管与针身的间隙L较小，金属套管上感应了很强场强，可能导致射流指向屏蔽装置而不是接收板。L为7mm、10mm时场强最大值出现在针尖上，且场强方向(图中红色箭头)垂直指向接收板，但L为7mm时的场强值比10mm时要大，且CV值较小，为2%，场强均匀性控制较好。

图8 套管与针身的间隙L与针头上场强峰值的关系

3 结论

综合分析，最终得到金属套管的最优结构参数为高7mm、套管与仿真间隙7mm且套管壁厚1mm，材质为钢铁类金属，施加金属套管的场强改善措施的效果显著，而且能够有效控制场强的大小与均匀性，使得总体上场强平均值增加了72%，最重要的是场强的均匀性改善幅度很大，纺丝头幅宽上场强分布的CV值可达到2%，对于指导多针头静电纺丝技术规模化意义重大。本文仅对无针头静电纺丝过程中的场强分布进行了分析并提出了相应的施加金属套管的改善方法。本方法同样适用于更多针头的规模化、工业化多针头静电纺丝过程中的场强增强和分布均匀性改善，未来会继续研究10～100针头静电纺丝过程场强分布及改善方法。

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2017-02-22

国家自然科学基金项目(51373121)

刘延波(1965-)，女，博士，教授，硕士生导师，研究方向：规模化静电纺丝技术研究。

TS173 TS174.8 TQ340.6

A

1008-5580(2017)02-0017-05