阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响

刘延波,和星雨,郝 铭,胡晓东,杨 波

(1.武汉纺织大学,a.纺织科学与工程学院;b.省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室,武汉 430200; 2.天津工业大学纺织科学与工程学院,天津 300387)

纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率以及较好的力学性能等特点,被广泛用于空气过滤、油水分离、组织工程、药物输送等领域,是目前研究热点之一[1]。静电纺丝技术是制备纳米纤维最简单、高效的一种方法[2]。

目前使用静电纺丝方法批量制备纳米纤维主要有两种技术:多针头静电纺丝技术和无针头静电纺丝技术。其中多针头静电纺丝技术主要有以Tomaszewski等[3]为代表的直线型阵列、以郭文利等[4]为代表的正六边形阵列和以Theron等[5]为代表的圆形和椭圆形阵列的多针头静电纺丝。直线型多针头静电纺丝具有喂液可控和可持续稳定纺丝的优点,但是根据电场叠加原理可知,多个纺丝针头之间产生库伦排斥力,会导致出现中间场强低两边场强高的现象,即边缘效应。郭文利等[4]和Theron等[5]提出的圆形阵列和正六边形阵列多针头静电纺丝,虽然通过改变针头位置来减弱边缘效应,但并没有完全消除。无针头静电纺丝技术主要以捷克Elmarco公司研究的第一代“纳米蜘蛛”滚筒式静电喷丝头[6]为代表的静电纺丝技术,其供液方式为开放式供液,当纺丝头旋转到溶液槽中,液体黏附在纺丝头表面,从而产生射流。同时无针头式喷丝头具有设计简单、产量高、通量大等优点。然而,由于开放式储液器通常具有相对较大的自由液体表面,所以溶剂易挥发,也难以精准控制射流的均匀发射,且需要施加较高的电压才能激发射流,能耗较大。

本文主要设计一种集合有针和无针式静电纺丝的优点的新型纺丝头,由带有交错排列纺丝孔的线性阵列式小圆盘组成。喷丝孔交错排列避免相邻喷丝孔相互干扰,使得制备纳米纤维更均匀。进一步通过优化纺丝头结构参数(圆盘数量、圆盘间距、圆盘外径、中心轴直径、辅助电极)以及纺丝工艺参数,来调控纺丝电场分布情况。使用COMSOL Multiphysics©5.6软件,模拟了在不同参数调整下的纺丝模型,探究场强和电势大小在纺丝口处的分布情况,最终得到一个场强较高且场强分布均匀的纺丝头。

1 静电场理论分析

麦克斯韦方程组是电磁场的基础,也是静电纺丝体系中直流高压电场有限元分析的依据。COMSOL Multiphysics©5.6静电场有限元模拟遵循泊松方程:

-∇dε0εr∇V=dρ

(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。在边界条件设定中,根据式(2)对各边界条件进行约束。

-nD=ρs

(2)

式中:n为界面的法向量;ρs为面电荷密度。

本文中,空间电荷密度ρ为0 C/m3,圆盘和中间的圆柱采用Steel AISI 4340,其相对介电常数为1。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:

nD=0

(3)

当ρs=0时,即两种介质分界面上没有自由电荷分布,COMSOL Multiphysics©5.6软件模拟时对应的边界条件为连续。

基于以上原理,通过COMSOL Multiphysics©5.6软件进行静电场模拟可以得到静电纺丝过程中场强大小和分布情况。

2 建模与模拟

在三维建模软件Solidworks中建立模型,将其导入COMSOL Multiphysics有限元仿真模拟软件中进行静电场的模拟。建立的模型的样品图片如图1所示。

由图1可知,整个装置由一根空心圆柱以及8个(或者偶数个)中间空心的圆盘组成。纺丝液从圆柱两端进入,流入圆盘下端,喷丝孔处受到高压电压的加持,形成纺丝射流。圆盘一侧的喷丝孔放大图如图2所示。

图1 阵列圆盘式喷嘴及无针头静电纺丝设备Fig.1 Array disc capillary spinneret and needleless electrospinning equipment

图2 纺丝头结构示意Fig.2 Sketch of the spinneret hole on the disc

在图2中,清晰地看到喷丝孔排列方式不在同一水平线。装置水平放置时,相邻喷丝孔之间的夹角为30°,喷丝孔与铅垂线的角度为15°,因此可以避免喷丝孔之间的相互影响。此外,由于圆盘数量越多,各个纺丝孔处受到库仑斥力产生叠加,越靠外的纺丝头受到的库仑斥力总和就越大,场强越大,中间位置的纺丝孔场强越小,所以最外侧的圆盘上面不设置纺丝孔,将最外侧两个圆盘当作辅助电极来减弱边缘效应,产出更均匀的纳米纤维膜。

采用三维建模软件Solidworks建立仿真模型并导入COMSOL Multiphysics©5.6中进行仿真模拟。简易的静电纺装置如图1所示,由圆盘式喷嘴、收集器和空气域构成。其中圆盘式喷嘴由圆盘、空心轴和喷丝头组成;纺丝喷嘴距收集器距离为80 mm,喷嘴和收集器位于空气域的正中心位置。

设计控制变量实验,从圆盘数量N、圆盘外径R、圆盘间距d、中心轴直径R0、辅助电极、接收距离D、和施加电压7个方面研究对静电纺丝过程中电场分布的影响。在其他条件不变的情况下,只改变单因素的量,使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件模拟,导出电场强度具体数值进行分析。模型参数如表1。

表1 模型参数设置Tab.1 Model parameter setting

将不同参数模型导入有限元仿真模拟软件COMSOL Multiphysics©5.6对静电纺丝过程中形成的电场分布进行模拟分析,纺丝头结构静电纺丝体系模型包括喷丝头、接收板和空气域三部分。

三维模型和接收板部分定义的材料为Steel AISI 4340,该材料的电导率为4.032×106S/m,热膨胀系数为12.3×10-6K-1。空气部分定义的材料则是Air,其电导率为0。

模拟步骤为:a)将建立好的静电纺丝模型导入COMSOL Multiphysics©5.6有限元分析软件中;b)定义静电纺丝设备材料属性;c)对模型进行网格划分;d)设定无限远边界;e)施加载荷;f)求解;g)后处理。

3 结果与分析

3.1 阵列圆盘式喷孔结构对纺丝头场强分布的影响

3.1.1 辅助电极对场强分布的影响

使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件对两侧圆盘是否充当辅助电极的纺丝头进行模拟计算,可获得纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小。图3(a)为不加辅助电极和增加辅助电极的纺丝头电场云图,纺丝位点的电场强度平均值和CV值如图3(b)所示。

由图3(a)所示,加辅助电极电场云图整体颜色均匀度相比于不加辅助电极较为均匀,这是由于圆盘之间存在相斥库伦力,导致边缘处圆盘电场强度比中部圆盘电场强度高,圆盘数量越多,边缘效应愈加显著。由图3(b)可知,加辅助电极场强变化较小,但CV值差别显著。不加辅助电极时,场强值为1.12×106V/m,CV值为10.29%。加辅助电极时,场强值为1.06×106V/m,CV值为3.32%。因此可得,边缘两侧圆盘充当辅助电极对电场均匀性影响显著[7],使电场分布更加均匀,适合纺丝。

3.1.2 圆盘数量对场强分布的影响

使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件对不同圆盘数量的纺丝头进行模拟计算,可获得不同圆盘数量纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小。纺丝头电场云图可以直观看到电场强度变化,纺丝头颜色越靠近红色,场强越高。图4为圆盘数量是8、10、12的电场云图,纺丝位点的电场强度平均值和CV值如图5所示。

图4 不同圆盘数量的纺丝头的电场云图Fig.4 Electric field cloud diagram of the spinneret with different numbers of discs

如图4所示,随着圆盘数量的减少,圆盘边缘颜色越靠近红色。由此可知,随着圆盘数量的增加,电场强度逐渐减小。由于纺丝头为中心对称图形,所以施加电压时产生感应电荷也对称[8]。由于静电纺丝过程中会在喷丝孔下面形成泰勒锥,因此需研究喷丝孔下端1 mm处坐标的电场强度分布情况。从图5可知,随着圆盘数量的增加,纺丝头平均场强随之减小,纺丝头的场强均匀性也随之变化。当圆盘数量为8时CV值为1.31%场强平均值最大为1.15×106V/m,虽然这种情况下纺丝头的场强最大,但由于场强CV值相对而言最大,易产生不稳定的射流,会直接影响纤维质量。综合来看圆盘数量为10时,场强CV值较小为1.28%,且场强平均值相对较大为1.14×106V/m,该圆盘数量更适合纺丝。

图5 圆盘数量对场强和CV值的影响Fig.5 Influence of the number of disks on the field strength and CV values

3.1.3 圆盘间距对场强分布的影响

使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件对不同圆盘间距的纺丝头进行模拟计算,可获得不同圆盘间距纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小。图6为圆盘间距是10、20、30、40、50 mm的电场云图,纺丝位点的电场强度平均值和CV值如图7所示。

图6 不同圆盘间距的纺丝头的电场云图Fig.6 Electric field cloud diagram of the spinneret with different disc spacings

图7 圆盘间距对场强和CV值的影响Fig.7 Influence of disk spacing on field strength and CV values

由图6可知,随着圆盘间距的增加,不同圆盘边缘的颜色差在减弱,颜色均匀表明场强分布均匀。由此可得间距越大,场强分布越均匀在其他条件不变的情况下,根据电场叠加原理可知,相邻圆盘之间存在互相排斥的库伦斥力,当圆盘间距越大时,电场干扰会越小,因此圆盘上喷丝孔附近的电场分布越均匀。从图7可知圆盘间距对电场均匀性的影响较大。当圆盘间距增大时,喷丝孔处电场强度随之增大且CV值不断减小,但圆盘间距增大到一定数值时,电场强度增长幅度和CV值减小幅度都在变小。当圆盘间距为50 mm,此时纺丝位点平均场强最大为1.16×106V/m且CV最小为0.73%。可见增加圆盘间距是提高场强均匀性最高效的方式,但间距过大会导致射流相隔较远,收集装置收集的纤维相隔较远不利于纤维成网,容易出现中间厚两边薄的纤维网。因此,当圆盘间距为40 mm时,场强平均值较高为1.14×106V/m且CV值相对较小为1.28%,纺丝效果更好。

3.1.4 圆盘外径对场强分布的影响

使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件对不同圆盘外径的纺丝头进行模拟计算,可获得不同圆盘外径纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小。图8为圆盘外径是40、50、60 mm的电场云图,纺丝位点的电场强度平均值和CV值如图9所示。

图8 不同圆盘外径的电场云图Fig.8 Electric field cloud diagram of different disc outer diameters

图9 圆盘外径对场强和CV值的影响Fig.9 Influence of the disk outer diameter on field strength and CV values

由图8可知,随着圆盘外径的增加,圆盘边缘红色区域减小,电场强度逐渐减小。在物理学中,导体表面曲率越大,导体表面电荷密度越大,场强越大[10]。由于在其他条件不变的情况下,随着圆盘外径增加,圆盘曲率随之减小,所以随着圆盘外径的增加,场强随之减小。从图9可知,随着圆盘外径的增加,场强平均值随之减少,CV值随之增加。但场强值和CV值变化范围较小,所以圆盘外径对场强平均值和CV值的影响较小。综合来看,当圆盘外径为40 mm时,场强值最大为1.17×106V/m,CV值最小为1.28%最适合纺丝。

3.1.5 中心轴直径对场强分布的影响

使用COMSOL Multiphysics©5.6仿真软件对不同中心轴直径的纺丝头进行模拟计算,可获得不同中心轴直径纺丝头电场云图及各纺丝位点场强值大小。图10为中心轴直径是5、10、15、20、25 mm 的电场云图,纺丝位点的电场强度平均值和CV值如图11所示。

图10 不同中心轴直径的电场云图Fig.10 Electric field cloud diagram of different central shaft diameters

由图10可知,随着中心轴直径的增加,圆盘边缘红色区域减小,电场强度逐渐减小。由于在其他条件不变的情况下,随着中心轴直径的增加,纺丝头整体体积在变大,中心轴也占据一部分电荷。因此随着中心轴直径的增加,场强随之减小。从图11可知,随着中心轴直径的增加,场强平均值和CV值随之减小,但CV值下降幅度小,说明中心轴直径的变化对电场分布均匀性影响较小。当中心轴直径为5 mm 时,纺丝位点平均场强最大值为1.33×106V/m,但其CV值也是最大值为1.78%,纺丝均匀性较差。因此,综合考虑选择中心轴直径为10 mm的纺丝头,其电场强度较大值为1.29×106V/m,CV值为1.56%,较为适合纺丝。

图11 中心轴直径对场强和CV值的影响Fig.11 Influence of central axis diameter on field strength and CV values

3.2 纺丝工艺参数对纺丝头场强分布的影响

3.2.1 施加电压对场强分布的影响

在静电纺丝过程中,当电场库伦斥力大于表面张力时才能激发射流,在电场力的作用下进行牵伸形成纤维[11]。因此外加电压在静电纺丝过程中对电场分布的影响十分重要,图12为施加不同电压条件下纺丝位点的场强平均值和CV值变化趋势。

图12 外加电压对场强和CV值的影响Fig.12 Effect of applied voltage on field strength and CV values

由图12可知,纺丝位点电场强度随着外加电压的增加呈增长趋势,增长规律相同。适当的增高电压不仅可以提高纤维产率,而且有利于纤维成型以及细化[12]。但是电压过高会使射流量变大,射流速度过快,导致射流不能及时拉伸分裂,从而使纤维直径变大甚至导致串珠纳米纤维[13]。而且高电压容易引起空气击穿,十分不安全。所以需选择合适的电压才能生产高质量纳米纤维。从图11可以看出电压对电场强度的平均值影响较大,随着电压的增加,电场强度也同幅度地增加,电压对静电纺丝过程中电场均匀性影响几乎没有,CV值没有变化。因此,综合来看,当电压为25 kV时,场强较大值为1.61×106V/m,CV值为1.56%,纺丝参数最佳。

3.2.2 1.2.2接收距离对场强分布的影响

纺丝头与收集装置之间的工作距离决定了电场强度的大小和射流沉积到收集板上的不稳定阶段。需要相对较长的距离来确保射流的完全延伸和凝固,从而形成固体纤维。一般来说,随着距离的增加,会形成更细的纤维。当喷丝头尖端与收集装置之间的距离过长,电场强度会导致场强过低,液滴不会产生射流,容易引发纺丝头堵塞。不同接收距离条件下纺丝位点的场强平均值和CV值如图13 所示。

图13 接收距离对场强和CV值的影响Fig.13 Influence of receiving distance on field strength and CV values

由图13可知,喷丝孔位点的电场强度的大小随着接收距离的增大而减小。在物理学中,根据电场强度公式E=U/d可知两点间的电压一定的情况下,接收距离越大,电场强度就越小。从图13可以看出随着接收距离的增加,场强平均值也逐渐减小。接收距离的变化对纺丝位点场强分布均匀性的影响不显著。当接收距离为80 mm时,场强最高,场强值为1.61×106V/m,CV值为1.56%,电场均匀性好,适合纺丝。在实际的纺丝过程中,接收距离还需结合实际的聚合物溶液的性质和外加电压来确定,不能靠一味地缩短接收距离来提高电场强度。如果接收距离小,导致溶剂挥发不完全,射流牵伸不充分,纤维不能很好地固化成型。同时接收距离的缩短也会使“鞭动”不稳定区域变小,而鞭动过程会使纺丝射流发生劈裂而降低纤维直径。因此,接收距离过大时生产的纤维直径也会变粗,与文献结论相一致。

4 结 论

通过阵列圆盘式纺丝头结构设计,对其场强的有限元模拟,结论如下:

a)在其他条件一定的情况下,圆盘充当辅助电极对电场均匀性影响显著;随着圆盘数量的增加,纺丝位点场强值与CV值随之减少;随着圆盘间距增加,场强逐渐增加,CV值显著减小;随着圆盘外径增加,场强逐渐减小,CV值变化较小;随着中心轴直径增加,场强随之减小,电场均匀性无显著变化;外加电压与接收距离对场强值影响较大。

b)经多组模型对比研究,发现圆盘数量为10个、圆盘间距为40 mm、圆盘外径为40 mm、中心轴直径为10 mm、接收距离为80 mm,电压为25 kV时,电场强度平均值为1.61×106V/m,CV值为1.56%,纺丝位点的电场强度较高且分布极其均匀,消除了边缘效应。实际静电纺丝时,外加电压与接收距离则结合静电纺丝情况择优使用。