多射流静电纺丝稳定性的影响分析

卓丽云，朱自明，郑高峰

(1.厦门工学院机械与制造工程学院，福建厦门 361021； 2.广东工业大学机电工程学院，广州 510006； 3.厦门大学仪器与电气系，福建厦门 361102)

随着纳米技术的迅猛发展，聚合物纳米纤维在过滤、生物医学、传感器和材料等不同领域有巨大的应用潜力。因此，静电纺丝作为制取纳米纤维最简单而有效的方法也成为了研究的热点[1-7]。

多射流静电纺丝无疑是提高纺丝产量和促进工业化生产的最普遍方法之一。目前多针头静电纺丝喷头主要有直列式和空间排列式[8-10]。S. A. Theron等[11]研究了1×9针头和1×7针头的线性排列和3×3的9针头空间排列；W. Tomaszewksi等[12]研究了26针头的线型排列、椭圆排列和10针头圆形排列。Zhu Ziming[13]等通过对线性、三角形、梯形三种多针头排列形式进行仿真实验，提出梯形排列有助于改善静电纺丝制备的纤维膜质量。余薇等[14]提出一种基于库仑定律的呈线性凸弧形排布多针头的静电纺丝法。王巍和陈云军等[15-16]针对无针式静电纺丝进行了相应的研究。陈威亚和吴元强等[17-19]对多针头静电纺丝电场强度的均匀性进行了模拟，主要通过不等针长、间距、针头数量、针头直径、针头排列形式、电压及增加辅助电极等工艺参数进行仿真对比。刘延波等[20]采用金属套管对多针头静电纺丝过程中场强分布进行了影响分析。

研究表明多针头喷头并不是单针头喷头的简单叠加，而是在库仑力的作用下会导致边缘效应的出现[21]。笔者建立在许多学者研究的基础上，对多射流静电纺丝的电场边缘效应现象进行理论分析，提出了错位排列的双列线性多针头喷头；为进一步明确多射流静电纺丝控制策略，开展线性单列、双列、错位排列等结构喷头的电场仿真分析，明确多射流喷头结构参数对空间电场的作用规律，进行喷头结构优化设计，为多射流静电纺丝过程的稳定和持续提供技术保障，为后续多针头喷头规模化生产的设备制造提供研究基础。

1 多射流静电纺丝电场边缘现象的理论分析

多针头喷头是解决静电纺丝大批量生产的有效方法，但是多针头并不是简单的单针头的叠加。因为多针头施加电压后，针头之间会出现同种电荷所受的库仑力不同从而导致边缘效应的产生。分别在单针、双针和三针喷头施加相同电压时，会出现如图1所示的三种不同的电荷分布现象。图1中单针喷头末端的电荷分布比较均匀；双针喷头末端的电荷由于相互之间的排斥力而使得电荷分布不均匀，使得两针头之间相近部分电荷分布较少而外围一侧电荷分布较多；三针喷头因中间针头同时受到两边针头的电荷排斥力而发生相互抵消，从而形成比较均匀的电荷分布，但两边的针头受到同一方向的排斥力而无法相互抵消，从而形成电荷往边缘聚集的现象[13]。

图1 三种喷头施加电压下的电荷分布情况

喷头中针头附近电场与针头电荷分布情况有关，电荷密度越大，电场越强。线性阵列喷头中相邻针头之间的电荷分布现象如图1中三针喷头所示，其电场力矢量图可表示为图2。

图2 多针头线性阵列电场力矢量图

图2中，1号和3号表示边缘针头，2号表示中间针头。当喷头施加一定电压时，1，2，3号针头分别受到针头自身指向收集板的电场力E1V，E2V，E3V，同时针头之间分别受到其它针头对自己的水平电场力：1号针头受到2号和3号针头对其的水平电场力分别为E21L和E31L；2号针头受到1号和3号针头对其的水平电场力分别为E12L和E32L；3号针头受到1号和2号针头对其的水平电场力分别为E13L和E23L。因此，1，2，3号针头所受的电场力合力E1R，E2R和E3R分别表示为式(1)～式(3)。2号中间针头受到两侧的水平电场力方向相反会相互抵消，而1，3号边缘针头受到的来自同一侧的水平电场力不会发生相互抵消，所以就会出现如式(4)所示的现象，两侧1，3号的针头电场力会大于中间1号的针头，距离相等的1号针头和3号针头的电场力大小相等。由此可见，多射流静电纺丝电场边缘现象是不可避免的。考虑到边缘效应的特性，笔者把电场强度比值(即电场强度最高值与最低值之比)作为边缘效应的强弱表征指标。

2 多射流喷头的静电纺丝电场仿真

因为带电射流的喷射和沉积稳定性主要取决于多针头喷头不同针头位置的电场分布情况，所以保证纳米纤维膜均匀性的前提是降低边缘效应，提高多射流喷头空间电场的均匀性。因此，明确多射流喷头电场分布规律与控制策略，开展结构优化、减少电场抑制、确保稳定持续喷射已经成为多射流静电纺丝技术研究的重点。

2．1 构建空间电场三维仿真模型

采用ANSYS有限元分析软件进行静电纺丝喷头空间电场的仿真分析，根据方案设计构建如图3所示的静电纺丝三维空间电场仿真模型，主要由多射流喷头1、空间区域2和收集板3组成。多射流喷头1的排列方式主要有如图4所示的三种：图4a所示为单列线性喷头，简称为单列喷头(其中L1分别为15 mm和30 mm)；图4b所示为双列线性喷头，简称为双列喷头(其中L1分别为15 mm和30 mm，L2为15 mm)；图4c所示为错列线性喷头，简称为错列喷头(其中L1为30 mm，L2为15 mm，L3为7.5 mm)。仿真主要参数设置见表1。

图4 喷头的三种排列方式

表1 静电纺丝模型仿真参数设置情况

2．2 电场仿真分析

由于纳米纤维直径的大小及均匀性主要取决于多射流的稳定性，而其稳定性主要由不同位置的针头电场强度所决定。因此，分别对三种不同的喷头进行仿真建模分析，取各个针尖处的电场强度进行分析。

(1)单列喷头电场仿真。

单列喷头(针头间距为15 mm和30 mm)针尖处的电场强度对比如图5所示(图5中的针头距离指各针头相对喷头中心点的距离，下同)。由图5可以看出，针头间距15 mm单列喷头针尖处电场强度平均值的最大值、最小值和平均值分别为1 689.7，1 352.5 V/mm和1 473.2 V/mm；针头间距30 mm单列喷头针尖处电场强度平均值的最大值、最小值和平均值分别为2 072.7，1 753.5 V/mm和1 869.9 V/mm。间距30 mm单列喷头的电场强度全部大于间距15 mm单列喷头的电场强度；随着间距的增大，电场强度也跟着增大且更趋于平缓，电场强度比值由1.249降为1.182。这是由于针头间距增大，针头之间的电荷排斥力减少，处于中间位置的针头处电场强度受到的削弱程度较小，空间电场的抵制作用较弱，这样有利于提高射流喷射的稳定性，但针头间距的增大使得射流密度也降低了。

图5 针头间距为15 mm和30 mm的单列喷头电场强度分布

(2)双列喷头电场仿真。

考虑到高射流密度有助于纤维的形成，在单列喷头的基础上采用了双列喷头，其针头排列形式如图4b所示，针头间距主要有15 mm和30 mm两种，其对应的各针尖电场强度对比如图6所示。由图6可知，双列喷头中间距相同的两列针头的电场强度基本重合，且其曲线趋势均和单列喷头基本一致，表明双列喷头的电纺是可实施的。间距15 mm双列喷头针尖处电场强度平均值的最大值、最小值和平均值分别为1 278.7，929.2 V/mm和1 008.4 V/mm；间距30 mm双列喷头针尖处电场强度平均值的最大值、最小值和平均值分别为1 543.9，1 245.9 V/mm和1 351.1 V/mm。间距30 mm的电场强度明显优于间距15 mm电场强度。随着间距的增大，电场强度也随之增大且更趋于平缓，电场强度比值由1.376降为1.239。同图5相比可发现针头间距相同的情况下，双列喷头的电场强度小于单列喷头的电场强度，而且双列喷头的边缘效应较单列喷头有所增强，但是相对于单列喷头，双列喷头更有助于提高射流密度且是实现静电纺丝批量生产必不可少的方法。

图6 间距为15 mm和30 mm的双列喷头电场强度分布

(3)错列喷头电场仿真。

为了同时获得较高的电场强度和射流密度，在双列喷头的基础上提出了针头间距同时包括15 mm和30 mm的错列喷头，其喷头模块的结构形式如图4c所示，其各针尖处电场强度分布如图7所示。

图7 间距同时包括15 mm和30 mm的错列喷头电场强度分布

由图7可以看出，错列喷头各个针尖处电场强度平均值的最大值、最小值和平均值分别为1 522.2，1 049.0 V/mm和1 238.6 V/mm，电场强度比值为1.361。中间区域的两列针头的电场强度和数据趋势基本保持相同；两侧针头的电场强度数据差别比较大且第一列的数值增幅较大。这是因为第一列两侧的针头只受到单边针头电荷排斥力，电场强度的削弱程度比较小，使得没有受电荷排斥力的一侧电场强度增加明显；第二列两侧的针头和第一列相比多了第一列两侧针头的电荷排斥力，其和另外一侧的电荷会产生一定的削弱作用，所以比第一列两侧针头的电场强度小。

(4)综合分析对比。

考虑多列多射流有助力于大批量生产，取两种不同间距的双列喷头以及错列喷头进行综合分析对比，分别把三种不同结构喷头中的针头进行如图8所示编号，分别取三种喷头每号针头针尖处电场强度的平均值数据，制成图9的电场强度对比图。由图9可知，三种喷头都存在着不同程度的边缘效应。结合双列喷头和错列喷头中的电场强度比值可知，错列喷头的边缘效应略弱于间距15 mm的双列喷头而强于间距30 mm的双列喷头。错列喷头的电场强度和中间位置针头的电场强度曲线平缓度均明显优于间距15 mm的双列喷头，而差于间距30 mm的双列喷头。由图4可知三种喷头的针头间距关系为：间距15 mm双列喷头＜错列喷头＜间距30 mm双列喷头。因为针头间距决定着射流密度，所以错列喷头的射流密度优于间距30 mm的双列喷头，而略劣于间距15 mm的双列喷头。因为静电纺丝多射流喷射的稳定性主要取决于电场强度大小和射流密度，最理想的状态是电场强度好且射流密度高，而错列喷头可以在保证射流密度的前提下，获得相对较高的电场强度。由此可见，错列喷头有助于静电纺丝多射流的稳定生产。

图9 三种喷头的电场强度对比图

3 结论

(1)边缘效应在线性多针头的喷头静电纺丝过程中必然存在且随着针头距离的加大有所减缓；针头间距同时包括15 mm和30 mm错列喷头的边缘效应略弱于间距15 mm双列喷头而强于间距30 mm双列喷头。

(2)双列喷头的电场强度平均值低于单列喷头的电场强度平均值，而边缘效应相对于单列喷头有所加强。

(3)无论单列还是双列喷头，增加针头之间的间距都有助力于电场强度的增大和减缓边缘效应，但是这是以降低射流的密度为代价的。

(4)间距错列可以在保证射流密度的前提下，减少电荷之间的干扰效应从而获得较好的电场强度平均值，但其电场强度比值也比较大即具有相对较强的边缘效应。