劉延波，韋春華，劉 健，楊媛媛，趙新宇，陳文洋

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430200；4.天津工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300387）

目前，制備一維納米結(jié)構(gòu)有機材料的方法有靜電紡絲、牽伸、模板合成、相分離、界面聚合、自組裝等[1-2]。其中，靜電紡絲技術(shù)不僅具有操作簡便有效、生產(chǎn)成本低的特點，且易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)也是它較于其他方法的一個最大的優(yōu)勢。此外，靜電紡絲納米纖維膜具有高孔隙率、納米到微米級孔尺寸、高透氣性等特點[3]。對于靜電紡絲過程而言，很多溶液的自身特性、外界環(huán)境因素以及紡絲的工藝參數(shù)都是影響納米纖維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的重要條件[4-9]。然而，影響纖維直徑分布均勻性和電紡膜厚度均勻性的真正關(guān)鍵的因素卻是紡絲過程中的電場強度及其分布，這也是影響靜電紡絲過程、納米纖維結(jié)構(gòu)、電紡膜結(jié)構(gòu)形貌的重要因素。

自1934年靜電紡絲技術(shù)發(fā)明以來，至今只有少數(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化和規(guī)?；瘧?yīng)用。難點在于，作為規(guī)模化電紡膜制備技術(shù)方案之一的多針頭靜電紡絲技術(shù)存在“邊緣效應(yīng)（end effect）”[11]現(xiàn)象，即多個針頭直線排列時，針排兩側(cè)的針頭出來的紡絲射流向兩側(cè)偏移，嚴重時形成的納米纖維不能被接收裝置接收，造成原料和成本的浪費，同時中間的針頭不易形成紡絲射流，造成紡絲效率低下，難以達到預(yù)期目標。目前，有少數(shù)研究人員展開了對多針頭靜電紡絲過程中場強分布的數(shù)值模擬研究[8-9]，也有人提出了改善場強分布的措施，例如金屬環(huán)[11]，盡管采用環(huán)形的噴絲頭能夠提高電場強度，但是收效并不大，且不能同時提高場強大小和場強分布均勻性。本課題組前期已經(jīng)對線性多針頭靜電紡絲過程場強的大小和分布進行了初步分析[12-13]，并提出了改善場強大小和分布的措施，包括兩側(cè)采用不等針長、不等電壓、不等間距、兩側(cè)針頭只加壓不供液，或每個針頭施加塑料套管或金屬套管等方法。研究過程中發(fā)現(xiàn)，施加金屬套管對場強大小和分布改善作用優(yōu)于塑料套管，因此本研究繼續(xù)對金屬套管對場強的改善作用進行深入系統(tǒng)的研究。

本研究采用金屬套筒對每個針頭施加輔助電極，研究金屬套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對多針頭靜電紡絲過程中場強大小和分布的影響，獲得最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達到在相同紡絲條件下增大場強且提高場強分布均勻性、有效削弱“邊緣效應(yīng)”的目的，同時提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[14]。本研究借助COMSOL有限元分析軟件[15-16]，以經(jīng)典靜電場理論為基礎(chǔ)，對五針頭靜電紡絲體系進行電場強度與分布的模擬與分析；在基于獲得較高電場強度和較均勻的電場分布的前提下?lián)袢∽顑?yōu)的紡絲頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和靜電紡絲工藝參數(shù)。

1 金屬套管參數(shù)的優(yōu)化

首先對多針頭靜電紡絲過程中紡絲頭結(jié)構(gòu)參數(shù)例如針長、針直徑、針間距、針數(shù)、電壓、接收距離等對場強大小和分布的影響進行仿真模擬和分析探討，得出多針頭場強分布的一般規(guī)律，明確“邊緣效應(yīng)”形成的理論機制。通過外加屏蔽措施對2個空間區(qū)域之間進行隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射，其中靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場進入到某個區(qū)域。受靜電屏蔽知識的啟發(fā)，本文采用屏蔽措施防止針頭外界靜電場的干擾，從而提高紡針尖端的場強值。圖1所示為采用SOLIDWORKS軟件建立的加套管/無套管模型。

圖1 加套管/無套管模型建模Fig.1 Model modeling w ith and without metal casing

由于銅的導(dǎo)電性較好，所以本研究對五針頭靜電紡模型施加金屬銅的金屬套管作為屏蔽措施的場強進行模擬[17]，并對其場強分布與大小用COMSOL軟件進行模擬與分析。套管厚度的增加、套管-紡針間隙和紡針從套管中探出的距離是影響場強分布與大小的3個重要的因素。因此，在模擬過程中，以套管厚度、套管-紡針間隙和套管高度為變量進行模擬分析。當(dāng)一個參數(shù)發(fā)生改變時，其余模擬條件維持不變和常量，如表1所示。

表1 場強模擬采用的基本參數(shù)值Tab.1 Basic parameters of field strength simulation

1.1 金屬套管對場強的影響

為了直觀地觀察電場強度分布情況，通過COMSOL軟件模擬獲得單針頭、五針頭外加金屬套管前后的電場模擬云圖，如圖2、圖3所示。

圖2中，紅色代表場強最高，橘色和黃色次之，深藍色或黑色代表場強最弱。由圖2可知，對于同一根針而言，針尖部位的場強相較于針根部位較強，針尖部位左右兩側(cè)場強比中間部位更強。本研究規(guī)定，所述的場強一般是指針尖兩側(cè)的場強值中較大的那側(cè)場強值或者二者的平均值，稱為場強峰值（peak value of elec－tric field intensity）。由圖3可以看出：加了金屬套管后電場強度的顏色比無套管的紅色更濃，針頭間的場強也更均勻。模擬結(jié)果如表2所示。

圖2 單針頭場強分布云圖Fig.2 Nephogram of single-needle field intensity distribution

圖3 五針頭場強分布云圖Fig.3 Nephogram of five-needles field intensity distribution

表2 模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results

從表2數(shù)據(jù)上看，附加了金屬套管后電場強度增加了42.74%，而CV值下降了57.33%。由此可見，外加金屬套管既有效提高了電場強度，又增加了電場分布的均勻性，提高了靜電紡絲過程的穩(wěn)定性，有效降低了邊緣效應(yīng)現(xiàn)象。其原因可能是由于金屬套管壁比較薄，而且紡針被金屬套管全部包繞，而金屬本身導(dǎo)電的性質(zhì)使得金屬套管感應(yīng)出表面電荷，起到了類似于圓柱形輔助電極的作用，從而使場強值增大。因此，金屬套管的加入除了可以有效降低邊緣效應(yīng)之外，對于電壓能源的有效利用以及紡絲成本的節(jié)約也具有重要的意義。此外，外加金屬套管模擬結(jié)果與Kim等[18]用輔助電極減弱多噴頭間電場干擾的研究結(jié)果相吻合。

1.2 套管厚度的增加對場強的影響

下面分別研究金屬套管厚度為0.2 mm、0.4 mm和0.6 mm時的五針頭場強分布情況，其場強峰值及其CV值的COMSOL模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同套管厚度的場強峰值分布云圖Fig.4 Nephogram of electric field distribution w ith different thickness of metal casings

記錄下來每個的場強峰值及每個針頭的場強值從而得出多針頭靜電紡絲中的均勻性（CV值），結(jié)果如表3所示。

表3 套管厚度對紡針電場分布的影響Tab.3 Effect of casing thickness on electric field distribution

由表3可看出，隨著套管厚度的增加，場強峰值先增加再降低，在套管厚度增加為0.2 mm的時候，場強峰值最高，為1.8×106V/m；而場強峰值的均勻性隨著套管厚度的增加而增加（CV值越低越均勻），當(dāng)套管厚度為0.6 mm時，場強峰值的CV值3.2%為最低?？梢灶A(yù)見，隨著套筒厚度的增加，紡針場強峰值勢必會越來越小，而場強分布會越來越均勻。也就是說，場強的均勻性改善是以損耗場強大小為代價的。

由表3還可得出，增加金屬套管后可引起場強提高42.74%，而CV值可降低57.33%。這說明適當(dāng)調(diào)整金屬套管的壁厚，可獲得需要的適紡場強和分布，既可實現(xiàn)順利紡絲又可達到要求的紡絲射流分布均勻度。

1.3 套管與針的間隙對場強的影響

根據(jù)郭玲玲[19]的研究，當(dāng)隔板與紡針間隙極?。ń茻o間隙）時，紡針的電場強度最大，而且隨著間隙的增大，電場強度減小。本研究套管與針的間隙分別是0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm，通過COMSOL軟件記錄每個間隙下的場強和電場的均勻性，如表4所示。

表4 套管與針的間隙對電場分布的影響Tab.4 Effect of clearance between casing and needle on electric field distribution

通過表4可看出，間隙對場強峰值的影響不大，但對均勻性有相應(yīng)的影響，間隙為0.02 mm時，場強最均勻，CV值僅為1.1%。

1.4 套管高度對場強的影響

研究套管高度分別為0.8 cm、1.0 cm、1.2 cm，通過COMSOL軟件記錄每個套管高度下的場強峰值得到的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 套管高度對場強的影響Tab.5 Effect of casing height on field strength

通過表5可以看出，套管高度與針長一致時場強最大，即套管高度為1.0 cm時，場強最大而且處于套筒高度的拐點處，所以就不考慮套管高度低于0.8 cm或高于1.2 cm的情況。

2 套管形式優(yōu)化

根據(jù)課題組前期系統(tǒng)研究[17-19]發(fā)現(xiàn)，套管也可以采用相對介電常數(shù)較大的材料聚四氯乙烯（PTFE）材質(zhì)，而且PTFE附著在針頭內(nèi)側(cè)還可以有效防止針頭堵塞的問題，基于場強大且均勻原則，創(chuàng)新性的設(shè)計了一種新的套管針頭式模型，如圖5所示。

圖5 PTFE套管模型建模Fig.5 M odel modeling of PTFE casing

模擬基本參數(shù)與表1相同，其他參數(shù)如表6所示。模擬過程中當(dāng)一個參數(shù)發(fā)生改變時，其余模擬條件維持不變和常量。

表6 基本參數(shù)值Tab.6 Basic parameter value

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針對場強的影響

為了進一步研究紡針場強的控制方法，將PTFE塑料套筒作為“屏蔽”元件套到紡針的外圍，并且PTFE在較寬頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介電損耗都很低，而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高且不溶于強酸、強堿和有機溶劑（包括魔酸，即氟銻磺酸），非常適合作為屏蔽隔離裝置的原材料。聚四氟乙烯（PTFE）除了具有擊穿電壓高和不溶于有機溶劑的特點外，其突出的力學(xué)特性是摩擦因數(shù)小，在0.01～0.10之間，在現(xiàn)有塑料材料乃至所有工程材料中是最小的。因此，可以考慮在金屬針內(nèi)壁加上摩擦因數(shù)小的PTFE內(nèi)針管來解決針頭堵塞的問題，同時也要兼顧其對于紡絲電場強度的影響程度問題。通過COMSOL軟件模擬分別獲得單個紡針與復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針的電場模擬云圖，如圖6所示。

圖6 2種紡針場強峰值分布云圖Fig.6 Nephogram of two needles of electric field distribution

由圖6可知，復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針的電場強度分布云圖紅色區(qū)域面積更大，電場強度比純的紡針分布更加集中，模擬結(jié)果如表7所示。

表7 模擬結(jié)果Tab.7 Simulation results

由表7可知，電場強度由原來的1.17×106V/m提高到了2.14×106V/m，電場強度提高了82.9%。這是由于PTFE塑料管形成的“屏蔽效應(yīng)”導(dǎo)致電場幾乎完全被限制在針的周圍區(qū)域，由于PTFE介質(zhì)呈環(huán)狀、近似無空隙地包繞針身，體系達到靜電平衡時，位于介質(zhì)內(nèi)部的針身上電場小到接近于零，相當(dāng)于發(fā)生了“靜電屏蔽”，針身上幾乎不存在電荷，只有少量感生電荷存在于介質(zhì)外表面，絕大部分電荷重新分布于針尖部位，導(dǎo)致針尖處場強急劇增大。

2.2 金屬套管對場強影響的擴展

為了進一步研究紡針場強的控制方法，將上述研究金屬套筒作為“屏蔽”元件套到7個針頭的外圍，其中針頭采用2.1中的復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針，其模型如圖7所示。

圖7 針頭模型結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of needle model

圖7中，金屬套管厚度為0.6 mm，距離兩端紡針左右距離為10mm，上下間距為4mm。模擬結(jié)果見圖8。

圖8 場強分布云圖Fig.8 Nephogram of electric field distribution

將圖8結(jié)果與單個針頭加金屬套筒進行對比，不難發(fā)現(xiàn)在整個紡針外圍加金屬套筒既可以單方面從紡針上增加場強峰值，又可以從整體上改善電場強度的均勻性，既可以節(jié)約能源，又可以達到良好的紡絲效果，滿足規(guī)?；o電紡絲的要求。

圖9為傳統(tǒng)七針頭、與復(fù)合結(jié)構(gòu)七針頭外加金屬套管電場強度對比分布圖。

圖9 七針頭電場強度分布Fig.9 Seven-needle electric field intensity distribution

由圖9可知，兩者具有相似的場強分布，兩端的電場強度大于中間的電場強度，由于七針頭紡絲電極以4#紡絲單元對稱，因此電場分布具有對稱性。附加了金屬套管的電場強度比沒有任何輔助結(jié)構(gòu)的七針頭電場強度大。此外，附加金屬套管的場強CV值（3.23%）小于沒有金屬套管的（8.13%），即附加了金屬套管的1—7針頭范圍內(nèi)的尖端顯示出更加均勻的場強分布。因此，附加金屬套管的紡絲電極有望可以用于規(guī)?；o電紡中，能夠在較窄范圍內(nèi)得到更大且更均勻的電場分布，更利于生產(chǎn)。另外，這與Yang等[20]在注射器外面加一個內(nèi)徑為2 mm的絕緣的PVC套筒來改變電場的作用力、延長射流的穩(wěn)定過程進而控制靜電紡絲納米纖維的沉積位置的研究結(jié)果相吻合，為紡絲電極的進一步研究奠定了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本研究利用COMSOL有限元模擬軟件建立了多針頭靜電紡模型，提出在紡針上外加金屬套管的方法對多針頭的場強分布進行改善，并研究了施加金屬套管前后紡針場強的變化以及金屬套管參數(shù)對場強大小和分布的影響，并且創(chuàng)新性地提出了復(fù)合結(jié)構(gòu)的紡針模型，得出研究結(jié)論如下：

（1）外加金屬套管對場強的影響：金屬套管的厚度、與紡針之間的間隙、高度對場強大小、均勻性有影響，附加了金屬套管厚度為0.2 mm時，最大電場強度增加了53.8%，說明采取屏蔽措施可有效提高電源利用率，節(jié)省電能、降低成本；此外發(fā)現(xiàn)，施加金屬套管后，5針頭靜電紡場強的CV值從原來的7.5%降到3.2%，可有效提高電場強度分布的均勻性，以及實際靜電紡絲過程中紡絲射流分布的均勻性，從而顯著提高電紡膜的質(zhì)量均勻性。

（2）復(fù)合結(jié)構(gòu)的紡針：與傳統(tǒng)的紡針相比，引入PEFE材料作為套管，在其他條件不變的條件下，PTFE套管的存在可以急劇增大針尖場強峰值，增大靜電紡絲時的電場力，電場強度提高了82.9%，避免能源的浪費，而且針頭內(nèi)側(cè)涂覆PTFE可以有效防止針頭堵塞的問題。

（3）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針外加金屬套管：通過比較傳統(tǒng)七針頭和采用復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針外加金屬套管的七針頭電場強度大小和分布發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針每一個紡針單元的電場強度均優(yōu)于傳統(tǒng)紡針各個紡針單元的電場強度，且比傳統(tǒng)紡針電極電場分布更加均勻，附加金屬套管的場強CV值3.23%小于沒有金屬套管的8.13%。