多针头静电纺丝电场分布改善及仿真分析

郭文利，任晓龙，陈江义

(1.郑州大学 机械与动力工程学院，河南 郑州 450000；2.广东顺德创新设计研究院，广东 佛山 528000)

0 引 言

纳米纤维由于其表现出的高比表面积、高孔隙率、优异的力学性能及柔性等多种普通尺寸材料不具备的特殊性能[1]，材料的应用也广泛涉及到组织工程[2-4]，环保过滤[5-6]，能源领域[7-9]，传感器技术[10]等重要前沿领域。静电纺丝法具有简单、工艺可控、可连续生产的优点，是目前用于直接制备纳米纤维最便捷有效的方法[11]。

为实现纳米纤维膜的高质量和大批量生产，多针静电纺丝和无针静电纺丝成为高效制备纳米纤维膜的热门技术[12-13]。其中无针静电纺丝技术中具有代表性的是蜘蛛纳米纤维静电纺丝[14]和气泡静电纺丝技术[15]，但无针静电纺丝技术往往存在直径尺寸，射流可控性和工艺的稳定控制方面的不足[16-19]。相比之下，多针静电纺丝技术在纳米纤维的均匀性、材料的适应性、微结构的复杂性、膜功能的多样性等方面具有更大的优势。但是经研究发现，多喷头射流间由于相邻针头间的电场会产生相互排斥的现象，导致纺丝过程的不稳定和纳米纤维的不均匀沉积[20-21]，所以对于多针头静电纺丝技术，电场分布的优化是一个关键问题。Zhou等在早前的研究中就发现，当喷头的间距比较小时，针头与针头之间彼此受到的电场干扰较大，喷出的射流之间会相互影响，甚至很难形成射流，纤维直径也变得不稳定[22]；刘延波等研究了附加金属套管的结构参数对静电纺丝过程工作电场的影响[23]；吴元强等对线性排列的多针头静电纺丝电场强度分布进行了仿真研究，分析了针头数量、针外径、针长、接收距离、电压以及针间距等因素对电场强度的影响[24]；卓丽云等分析了3种线性排列方式的多针头分别以2种针间距放置时的电场强度分布，认为其中梯形错列喷头在保证一定的射流密度下，可获得相对较高的电场强度[25]；余薇等基于库仑定律提出一种呈线性凸弧形排列方式的多针喷头并进行了有限元模拟分析，认为线性凸弧形排布方式能够降低边缘针头的场强且有利于改善针头处电场分布均匀性[26]。

文中对不同针数的正六边形多针系统进行模型简化和模拟仿真，结合其电场分布特征，提出改善多针喷头场强分布均匀性的可行措施：通过对不同针间距下场强分布趋势的仿真分析，选择合适的针间距；通过设置不等长度的针头均衡各针尖处的场强大小，进一步提高场强分布的均匀性；通过对加载不同直径屏蔽圆环下电场分布的仿真分析，选择合适大小的屏蔽圆环，得到场强分布均匀且集中的工作电场。

1 静电场理论分析

静电纺丝装置在稳定工作状态下保持源场电压不变，所以该研究所建模型所处的物理场为一个稳态静电场。稳态静电场的泊松方程表示为

-2εrε0φ=ρ

(1)

式中εr为介质的相对介电常数；ε0为真空下的相对介电常数；φ为电势，ρ为空间电荷密度。对于场中无电荷分布，即ρ=0时，有

2φ=0

(2)

即静电场的拉普拉斯方程。

静电场中，电场强度E和电位移D可以由下式得到

E=-φ

(3)

D=εrε0E

(4)

该模型建立分析中，空气域范围为所建模型的4～5倍，为达到将外部环境影响降低到最小的目的，建立空气域边界条件为零电荷。边界条件见式(5)

(5)

(6)

2 模型建立与针头结构

静电纺丝装置一般可以分为以下部分：高压电源发生器、供液装置、纺丝喷管、收集器。装置原理示意图如图1所示。

图1 静电纺丝装置Fig.1 Electrostatic spinning device

接通电源后，在喷头和收集器间便形成工作电场。静电纺丝装置以7针为例，多针喷头结构如图2所示。

图2 静电纺丝7针喷头结构Fig.2 7 needle nozzle structure

正六边形多针喷头针数由少到多可有7针、19针、37针等多针系统，以19针为例，针头分布平面示意如图3所示，黑色实点表示针头，虚线表示连接的针头处于相同的位置，相邻针间距为l，按位置标记，如7针系统由1位针和2位针组成，19针系统由1位针、2位针、3位针组成，以此类推。

图3 19针喷头针头分布结构Fig.3 Distribution structure of 19 needle nozzle

使用有限元软件对静电纺丝过程进行仿真，简化模型如图4所示，主要由多针喷头，矩形接收薄板和空间域组成，加载有高压静电的多针喷头和接地的金属收集薄板是形成电场的主要因素。

图4 静电纺丝装置仿真简化模型Fig.4 Simplified simulation model of electrostatic spinning device

为了使模拟结果能够有效的反映实际状况，需要对模型中涉及的关键参数进行设置，空气的相对介电常数ε0为1.0，针头和收集板的相对介电常数εr值为2.0，针头型号为20 G，考虑到针头数量增加和溶剂挥发空间的需要，7针系统接收距离为150 mm，将19针和37针系统接收距离设为200 mm。球状空气域半径为1 000 mm，矩形收集薄板尺寸为400 mm×400 mm×4 mm，其他模型参数见表1。

表1 模型参数设置

为了进一步衡量多针头电场分布的均匀性，对模拟得到的各针尖场强数据进行分析，采用标准差系数Vσ作为参考评价，见式(7)

(7)

式中σ为标准差；μ为平均值。

3 电场仿真分析

3.1 不同针间距的多针电场仿真

对不同针间距的正六边形多针喷头进行仿真，分析针间距对场强分布的影响，选择合适的针间距，兼顾场强分布均匀性与射流密度以适应规模化的生产过程。以7针系统为例详细介绍：接收间距为150 mm，设置针间距l取值10～40 mm，步长为5 mm。选择针尖下方1 mm电场强度值作为观测值。当针间距为10 mm和20 mm时针尖下方1 mm处场强分布如图5所示。

图5 不同针间距下场强分布Fig.5 Field intensity distribution at different needle spacing

通过仿真可以分析7针喷头的电场分布特征：1位针电场强度小于2位针电场强度，2位针各针在电场中处于相同位置，针尖场强值接近一致，2位针对1位针产生类似屏蔽效果。记1位针电场强度为E1，2位针中电场强度最大值为E2，场强差值为ΔE12=E2-E1。将不同针间距下所得的场强数据整理分析得到针间距对场强分布的影响如图6所示，左轴表示场强值，右轴表示标准差系数。随着针间距的增大，各针尖场强和整体平均场强随之增大。值得注意的是，当针间距不大于30 mm时，标准差系数Vσ和ΔE12维持同一水平小范围浮动。当针间距大于30 mm时，两者都随针间距增大而明显减小。这是因为在相同的工作电压下，针间距越小、针上电荷间的相互排斥和干扰越强，场强被削弱也越明显。随着间距增大，针间相互作用减弱，整体场强提高，当针距增大到一定程度时，各针接近单针电场分布，各针场强趋近一致。

图6 7针喷头针距对场强的分布影响Fig.6 Effects of needle spacing on field intensity distribution of 7 needle nozzle

同时从19针喷头仿真中也可以看到相似的电场分布特征，如图7所示：针间距增大，各针电场强度增大，与7针喷头相比标准差系数减小更明显，说明针头数量更多时，场强分布对针间距变化更敏感；3位针对1位针和2位针产生屏蔽作用。可以认为：较小的针间距可以获得较大的射流密度，有利于批量化生产，但工作电场质量较差；较大的针间距有利于获得较大且分布均匀的工作电场但生产效率不高，因此综合考虑认为对于正六边形排列式多针喷头，针间距应为20～30 mm较好，当针数增加时，考虑到纺丝液溶剂挥发等需求，可适当选择稍大的针间距。文中为7针喷头选择针间距为20 mm，Vσ=0.07；19针喷头针间距为25 mm，Vσ=0.11。

图7 19针喷头针距对场强分布的影响Fig.7 Effects of needle spacing on field intensity distribution of 19 needle nozzle

3.2 不等针长的多针电场仿真

由静电场理论可知，改变两点电荷之间的距离，电场力会随之改变，可以通过改变针长来提高场强分布的均匀性。为了尽量对少数的针长做出调整，文中选择收集薄板位置不变的情况下加长低位针。多针喷头标号按同位针(由低到高)针长标记，如：19针等长喷头记作25-25-25。图8分别展示了7针和19针系统不等针长情况下的场强分布云图，对比图8(a)和(b)中可以看到，1位针加长为25.12 mm后，电场强度变大，红色区域变大，颜色变深，由图8(c)和(d)中同样可以看到1位针和2位针分别加长至25.18 mm和25.14 mm后电场强度得到有效增强。

图8 不等针长对场强分布的影响Fig.8 Effects of unequal needle length on field intensity distribution

表2中列出了几种不同针长标号的7针喷头的场强分布数据。结果表明：随着1位针加长，场强差值ΔE12随之减小；当1位针长度为25.14 mm和25.16 mm时，都有ΔE12为负数，即E2

表2 不等针长7针喷头场强分布对比

同样地对于19针喷头，当1位针加长为25.18 mm，2位针加长为25.14 mm时场强分布也得到明显优化，总体平均场强由1 417.35 V/mm提高为1 510.48 V/mm，Vσ由0.17降低到0.05。

3.3 带屏蔽环的多针电场仿真

由之前的模拟仿真，可以认识到在正六边形多针喷头的电场中，高位针会对内部针间电场起到屏蔽效果，例如：当19针喷头设置和7针喷头相同的针间距20 mm和接收距离15 mm时，由于3位针的存在，不仅使1、2位置针头总体平均场强由1 818.91 V/mm降到1 128.04 V/mm，还使得ΔE12从190.78 V/mm减小为112.80 V/mm，Vσ由0.07降低到0.05，说明3位针对内部针间电场产生屏蔽作用的同时也使电场分布的均匀性得到了优化。因此可以通过设置屏蔽环来提高电场分布的均匀性，屏蔽环选择0.6 mm直径的铁丝，和针头接同一电源，与喷头同轴放置在针尖高度如图9(a)所示。选择xy(z=0)截面，带屏蔽环的7针喷头电场分布如图9(b)示，箭头方向为电场方向，箭头长度与以10为基数的电场强度的对数成正比。

图9 带屏蔽环7针喷头电场仿真Fig.9 Electric field simulation of 7 needle nozzle with shielding ring

设置不同直径大小的屏蔽环分析其对电场分布的影响并选择合适大小的屏蔽环，选择针下5 mm处进行观测，沿y轴正方形顺时针夹角为正，为了更好的表达电场方向，对箭头长度做出归一化处理，即箭头长度不表示场强值大小，如图10所示。

图10 屏蔽环对7针喷头电场范围的影响Fig.10 Influence of shielding ring on electric field distribution range of 7 needle nozzle

结合表3中数据来看，对于7针喷头，屏蔽环合适的直径为8 cm，相对于无屏蔽环7针喷头，Vσ由0.07减小为0.03，场强分布均匀性最好，2位针处电场线夹角也由21.20°减小为5.70°，电场分布的范围得到明显集中。

表3 不同屏蔽环下7针喷头电场分布

同样的对于19针喷头，可选择12 cm直径的屏蔽环可得到分布均匀且集中的电场，模拟结果见表4。

表4 直径12 cm屏蔽环对19针喷头电场分布的影响

综上结果表明：屏蔽环会削弱针尖处电场强度，但对高位针的效果更明显，一定程度上使场强分布得到均衡；屏蔽环会使电场分布的范围缩小，有利于获得分布集中的工作电场。

4 结 论

1)正六边形多针喷头的电场分布中，同位针针尖场强相近且高位针针尖场强大于低位针针尖场强，高位针对内部电场有屏蔽作用。

2)针间距增大，针间电场相互作用减小，各针尖场强随之增大，针间距增大到一定程度，各针场强分布接近单针分布。较大的针间距有利于获得场强较大且分布均匀的工作电场，但射流密度较低，不利于提高生产效率，所以应选择合适的针间距，20～30 mm为宜。

3)纺针长度增加，电场强度随之增大，对正六边形多针喷头，适当加长低位针，有利于提高低位针电场强度，均衡整体场强分布。

4)屏蔽环对高位针的屏蔽效果更明显，选择合适直径大小的屏蔽环有利于在针尖附近形成分布均匀且集中的电场。

5)为今后正六边形多针喷头的电场分布优化和多针静电纺丝规模化生产设备的进一步研发提供了理论和研究基础。