陳明軍， 李好義， 楊衛(wèi)民

(1. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2. 煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006； 3. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

聚合物納米纖維具有超高的比表面積和優(yōu)異的物化性能，是高效過(guò)濾、清潔能源、生化防護(hù)等領(lǐng)域急需的高端新材料[1]。高壓靜電紡絲是最具潛力的納米纖維批量制備技術(shù)，其原理是紡絲原液在高壓電場(chǎng)的作用下克服表面張力形成射流，射流在電場(chǎng)力和庫(kù)侖力作用下快速牽伸和鞭動(dòng)細(xì)化，使制備的纖維成納米尺度[1]。

高壓電場(chǎng)是靜電紡絲的唯一動(dòng)力源，其電場(chǎng)強(qiáng)度分布和紡絲電流直接影響纖維制品的最終性能。通過(guò)對(duì)紡絲空間電場(chǎng)的精確調(diào)控，納米纖維的直徑[2]、運(yùn)動(dòng)軌跡[3]以及納米纖維膜的沉積狀態(tài)[4]都能夠得到有效地控制。隨著紡絲液導(dǎo)電能力的提高，制備的纖維直徑更細(xì)，纖維直徑偏差更小，纖維中的串珠結(jié)構(gòu)也會(huì)被消除[5-6]，甚至出現(xiàn)紡絲射流的分裂，由一根射流演變成多根射流[7]。同時(shí)紡絲電荷在纖維膜上的聚集會(huì)對(duì)后續(xù)纖維產(chǎn)生排斥作用，從而使納米纖維膜呈現(xiàn)分層的竹帽狀結(jié)構(gòu)[8]。

增加針頭數(shù)量是提高納米纖維產(chǎn)量的一種有效途徑，但存在針頭與針頭之間的電場(chǎng)干擾、纖維成膜不勻的技術(shù)難題。為了提高納米纖維膜的均勻性，Kim等[9]在多針紡絲裝置中設(shè)置屏蔽圓桶，Zheng等[10]將多射流噴頭做成階梯狀分布。無(wú)針靜電紡絲是提高納米纖維生產(chǎn)效率的另一種途徑。直線式[11]、金字塔式[12]、螺旋式[13]、錐面式[14]等多種無(wú)針紡絲的噴頭被國(guó)內(nèi)外研究人員提出。以噴頭端電場(chǎng)強(qiáng)度為指標(biāo)，對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使噴頭各點(diǎn)產(chǎn)生射流性質(zhì)相同，是無(wú)針靜電紡絲噴頭研究的主要內(nèi)容，但是均未考慮到紡絲電流對(duì)射流效率和射流均勻性的影響。Lukas等[15]推導(dǎo)了射流間距與電場(chǎng)強(qiáng)度和紡絲原液性質(zhì)之間的關(guān)系，但是也未考慮電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)射流分布均勻性的影響。

在熔體微分直線靜電紡噴頭[16]的基礎(chǔ)上，本文研究了噴頭端最大電場(chǎng)強(qiáng)度、接收裝置材質(zhì)對(duì)射流效率以及射流分布均勻性的影響，探明了靜電紡絲過(guò)程中電離離子導(dǎo)致射流缺失的機(jī)制，提出了提高射流效率及射流均勻性的方法，為高效制備均勻的納米纖維膜提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備及紡絲原理

本文作者團(tuán)隊(duì)提出了熔體微分直線靜電紡絲裝置[16]，其結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。由擠出機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和控制器組成給料系統(tǒng)，保證熱塑性聚合物流量的精確控制；加熱器、加熱棒分段將聚合物進(jìn)行加熱融化，保證紡絲黏度滿足要求且防止物料高溫裂解；直線狹縫噴頭、高壓電源和收集板組成靜電紡絲系統(tǒng)。直線狹縫噴頭內(nèi)部流道由2段組成：第1段是衣架型流道，第2段是厚度在0.05～0.5 mm可調(diào)的狹縫，第2段的設(shè)置保證了熔體在噴頭幅寬方向的均勻分布(見(jiàn)圖1(b))。靜電紡絲裝置的高壓電源與接收板相連，并在直線噴頭端感應(yīng)出高壓電場(chǎng)，沿噴頭幅寬均勻分布的熔體在高壓電場(chǎng)作用下克服表面張力，自組織成多股射流并朝接收板方向快速運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1(c))，多股熔體射流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被電場(chǎng)力、風(fēng)力[1]進(jìn)一步拉伸細(xì)化，同時(shí)與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換逐漸冷卻、凝固，最終形成納米纖維沉積在接收板上。

圖1 直線狹縫靜電紡設(shè)備Fig.1 Equipment of melt electrospinning based on a linear slot spinneret.(a)System structure diagram；(b)Slit nozzle structure；(c)Schematic diagram of melt self-organizing jet

1.2 試樣的制備

實(shí)驗(yàn)用聚丙烯粒料由上海伊士通新材料發(fā)展有限公司提供，牌號(hào)為PP6820，其溫度與黏度之間的關(guān)系參考文獻(xiàn)[16]，在250 ℃時(shí)，材料的黏度為2.8 Pa·s。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直線狹縫噴頭溫度設(shè)定為250 ℃；擠出機(jī)給料量設(shè)定為1.26 g/min；噴頭與接收板之間的距離為9 cm；在探討紡絲電壓對(duì)射流的影響時(shí)，紡絲電壓分別設(shè)置為25、30、35、40、45和50 kV。在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下，紡絲電壓設(shè)定為45 kV。

同時(shí)，本文實(shí)驗(yàn)探討了接收裝置材質(zhì)對(duì)紡絲射流的影響。接收裝置材料分別選用銅板(Cu)、銅板包覆紙(Cu+PA)、銅板包覆鋁箔(Cu+Al)以及銅板上覆蓋聚對(duì)苯二甲酸乙二醇板(Cu+PET)。采用UNI-T萬(wàn)用表(優(yōu)利德)和ZC-90D高絕緣電阻測(cè)試儀(上海太歐電子有限公司)測(cè)量接收裝置的電阻值。表1示出各接收板材質(zhì)的厚度、電阻和介電常數(shù)。在厚度方面，Cu、Cu+PA、Cu+Al 3種材料厚度差別不大；Cu+PET雖然在厚度方向增大了10 mm，但是導(dǎo)電底板Cu相對(duì)噴頭的距離未發(fā)生變化，厚度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。Cu和Cu+Al接收板電阻為0 Ω，Cu+PA的電阻為2.66×106Ω，Cu+PET的電阻大于1.0×1011Ω；在介電常數(shù)方面，Cu和Cu+Al的高導(dǎo)電性掩蓋了其極化特性，在電場(chǎng)模擬中將其設(shè)為1，Cu+PA的相對(duì)介電常數(shù)為2.5，Cu+PET的相對(duì)介電常數(shù)為3.8。

1.3 測(cè)試與表征

射流間距是表征紡絲效率的重要指標(biāo)，其定義為相鄰射流的距離[14]，射流距離越小，紡絲效率越高。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用佳能Canon EOS 700D數(shù)碼相機(jī)對(duì)紡絲過(guò)程中直線狹縫噴頭的射流情況進(jìn)行拍照，然后采用ImagePro+6.0軟件對(duì)照片中相鄰射流進(jìn)行測(cè)量，獲得射流間距。為排除紡絲開(kāi)始時(shí)的非穩(wěn)定段以及接收板上沉積的纖維對(duì)射流產(chǎn)生的影響，拍照在紡絲開(kāi)始5～60 s的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。定義平均射流間距為

式中：W為選定的噴頭幅寬，本文以噴頭中心為原點(diǎn)，向兩邊各延伸70 mm;n為在指定寬幅范圍內(nèi)的射流根數(shù)。

1.4 模擬方法

采用Maxwell 16.0軟件對(duì)直線狹縫噴頭與接收裝置之間的紡絲空間電場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 紡絲空間電場(chǎng)模擬模型Fig.2 Model for electric analysis by infinite element

圖2中上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)化的狹縫噴頭模型，下部為簡(jiǎn)化的接收裝置模型。為了減小邊緣效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，將計(jì)算域在幾何模型的尺寸上向3個(gè)方向均擴(kuò)寬10%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置，噴頭的電壓設(shè)為0 V，接收板的電壓根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行改變。在噴頭端附近，沿紡絲路徑電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劇烈變化，為了保證模擬結(jié)果具有可比性，提取噴頭下方0.5 mm處的電場(chǎng)強(qiáng)度作為最大電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴頭端最大電場(chǎng)強(qiáng)度

紡絲原液在噴頭端受到的靜電壓力是使聚合物熔體極化、克服表面張力形成射流的主要驅(qū)動(dòng)力[15]。在紡絲距離不變的條件下，通過(guò)改變紡絲電壓改變噴頭端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，研究射流分布隨最大電場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。圖3示出接收材質(zhì)為Cu+PA的條件下，射流分布隨紡絲電壓升高的演變過(guò)程。

圖3 射流分布隨電壓增加的演變照片F(xiàn)ig.3 Picture of jets distribution evolution with electric voltage

由圖3可知：當(dāng)紡絲電壓為25 kV時(shí)，只有零星的射流從自由波的波谷處產(chǎn)生，大多數(shù)熔體呈橢圓狀懸掛在噴頭末端，自由波的體積較大且相隔距離大；當(dāng)電壓升至30 kV時(shí)，只有個(gè)別自由波的波谷沒(méi)有產(chǎn)生射流，且相較于25 kV時(shí)，自由波的波長(zhǎng)明顯變短；當(dāng)電壓為35 kV時(shí)，所有自由波的波谷都產(chǎn)生了射流，只是射流分布不均勻；當(dāng)電壓從35 kV上升到45 kV時(shí)，射流分布更加均勻，射流間距變得更??；當(dāng)電壓由45 kV上升至50 kV時(shí)，從圖片上看不出射流密度和均勻性有明顯的變化；當(dāng)紡絲電壓為50 kV時(shí)，紡絲過(guò)程伴隨有明顯的嗤嗤聲，在紡絲設(shè)備附近能感覺(jué)到明顯的氣流流動(dòng)，流動(dòng)的空氣會(huì)使皮膚上的毛發(fā)豎立。

圖4示出隨著電壓的增高，射流間距及噴頭端最大電場(chǎng)強(qiáng)度的變化?？芍?，噴頭端最大電場(chǎng)強(qiáng)度與紡絲電壓成直線增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)紡絲電壓由25 kV增加到50 kV時(shí)，噴頭端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度由0.94×106V/m增加到1.68×106V/m。與此同時(shí)，平均射流間距由4.8 mm降至1.9 mm。射流分布不均勻性在電壓為30 kV時(shí)達(dá)到最大，最小射流間距和最大射流間距之差為2.7 mm；當(dāng)電壓為45 kV時(shí)，最小射流間距和最大射流間距之差降至0.2 mm。當(dāng)紡絲電壓由45 kV提高到50 kV時(shí)，雖然最大電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高到1.87×106V/m，但是射流間距及射流均勻性不再發(fā)生明顯的變化。

圖4 紡絲電壓對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度及射流間距的影響Fig.4 Effects of spinning voltage on maximum electric intensity and average inter-jet distance

當(dāng)紡絲電壓為50 kV時(shí)，空氣分子(O2、N2、H2O)在噴頭端局部高壓電場(chǎng)的作用下發(fā)生強(qiáng)烈的電離，電離的正負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下，分別朝向極性相反的方向運(yùn)動(dòng)，形成穩(wěn)定的離子電流。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的負(fù)離子運(yùn)動(dòng)到接收板時(shí)，與接收板發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊，發(fā)出嗤嗤的聲音。電離電流的形成會(huì)在紡絲空間形成電流通路，在一定程度上會(huì)抑制噴頭端最大電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，因此，紡絲電壓在大于45 kV后，射流密度和射流均勻性無(wú)法進(jìn)一步提高。當(dāng)紡絲電壓超過(guò)50 kV時(shí)，很容易發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致紡絲過(guò)程中斷。

2.2 收集裝置電極材質(zhì)

導(dǎo)電率和介電常數(shù)是接收板影響紡絲空間電場(chǎng)性能的2個(gè)主要因素[8,17]。本文研究了當(dāng)紡絲電壓為45 kV，以Cu、Cu+Al、Cu+PA和Cu+PET為接收裝置時(shí)，射流的分布規(guī)律如圖5所示。可知：當(dāng)接收材質(zhì)為Cu時(shí)，射流間距小且均勻分布，伴隨個(gè)別地方的射流缺失現(xiàn)象；當(dāng)接收材質(zhì)為Cu+Al時(shí)，射流均勻性最差，射流缺失的現(xiàn)象較嚴(yán)重；當(dāng)接收材質(zhì)為Cu+PA時(shí)，沒(méi)有射流缺失的現(xiàn)象且分布均勻性最好；當(dāng)Cu+PET作為接收材質(zhì)時(shí)，射流間距最大，但射流均勻性比Cu+Al時(shí)要好，沒(méi)有射流缺失的情況。

圖5 不同接收材質(zhì)下的射流分布照片F(xiàn)ig.5 Photos of multiple jets under different collector material

圖6示出不同接收材質(zhì)時(shí)的平均射流間距和最小射流間距。可知，當(dāng)Cu和Cu+PA作為接收材質(zhì)時(shí)，平均射流間距最小且相同，為1.9 mm；當(dāng)Cu+Al作為接收材質(zhì)時(shí)，平均射流間距為2.2 mm；當(dāng)Cu+PET作接收材質(zhì)時(shí)，平均射流間距最大，達(dá)到了2.3 mm。在最小射流間距方面，當(dāng)Cu、Cu+PA、Cu+Al為接收材質(zhì)時(shí)，最小射流間距相同，均為1.8 mm;當(dāng)Cu+PET做為接收材質(zhì)時(shí)，最小射流間距最大，為2.1 mm。Cu+Al為接收材質(zhì)時(shí)，由于射流缺失的存在，平均射流間距與最小射流間距相差最大，為0.4 mm。

圖6 不同接收材質(zhì)的射流間距Fig.6 Inter-jet distance of different collector materials

為了揭示不同接收材質(zhì)射流間距不同的原因，模擬分析了不同接收材質(zhì)下噴頭端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖7所示。出人意料的是，平均射流間距不同的Cu、Cu+Al和Cu+PA接收材質(zhì)，其噴頭端的最大電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎相同，為1.68×106V/m；平均射流間距最大的Cu+PET接收材質(zhì)，噴頭端電場(chǎng)強(qiáng)度反而是最大的，達(dá)到了1.78×106V/m。該結(jié)果與2.1節(jié)的研究結(jié)論及前人的研究結(jié)果[15]完全相反。

圖7 不同接收材質(zhì)下電場(chǎng)強(qiáng)度及電流的情況Fig.7 Effect of collector material on electric strength and current

為此進(jìn)一步測(cè)試了接收板材質(zhì)對(duì)紡絲電流的影響(見(jiàn)圖7)。可知，在最小射流間距相近的3種接收材質(zhì)中(Cu、Cu+Al和Cu+PA),平均射流間距最小的材質(zhì)(Cu+PA)其紡絲電流最小，為0.011 mA；平均射流間距最大的材質(zhì)(Cu+Al)，其紡絲電流最大，為0.015 mA。對(duì)于最小射流間距較大的接收材質(zhì)(Cu+PET)，其紡絲電流最小，為0.002 mA。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)可推斷出Cu、Cu+Al、Cu+PA 3種材質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響與Cu+PET對(duì)電場(chǎng)的影響機(jī)制不同。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用Cu+PA作為接收材質(zhì)，能減少接收板的加工精度或局部氧化帶來(lái)的電場(chǎng)分布不勻的問(wèn)題，可提高靜電紡絲的效率和穩(wěn)定性。用Cu+PET作為接收板材質(zhì)，增大了紡絲線路的電阻，可用于解決導(dǎo)電性強(qiáng)的材料在靜電紡絲過(guò)程中由于電流過(guò)大而無(wú)法紡絲的問(wèn)題。

2.3 靜電紡空間的電場(chǎng)模型

通過(guò)2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，結(jié)合前人的研究結(jié)果建立了無(wú)針高壓靜電紡絲的紡絲空間電學(xué)模型如圖8所示。在高壓電源作用下，接收板上的自由電荷被導(dǎo)走，接收板成為與高壓電源具有相同電壓的等勢(shì)體。在接收板高電壓的誘導(dǎo)下，紡絲噴頭理論上會(huì)感應(yīng)出與接收板電荷相等但電性相反的電荷;但是在接收板高電壓的作用下，紡絲空間的空氣分子會(huì)極化，附近金屬材質(zhì)也會(huì)感應(yīng)一定的電荷，所以噴頭端感應(yīng)的電荷一般小于接收端的電荷。研究人員發(fā)現(xiàn)將高電壓加載到噴頭端獲得的纖維比將高電壓加載到接收裝置上制備的纖維更細(xì)，也是這個(gè)原因[18]。另一方面，由于感應(yīng)距離最近的狹縫出口面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收裝置的面積，狹縫出口處的電荷密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收裝置，形成極大的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而誘發(fā)熔膜產(chǎn)生射流。

圖8 熔體微分靜電紡空間電場(chǎng)的物理模型Fig.8 Electric model of melt differential electrospinning

聚合物熔體的高分子鏈在狹縫出口處被高電場(chǎng)極化，熔膜表面將聚集大量同種電荷形成極化排斥力；熔體表面的極化電荷受到噴頭端與接收裝置間的電場(chǎng)作用，形成朝向接收裝置的電場(chǎng)力；由于紡絲方向朝下，重力與電場(chǎng)力的方向相同。當(dāng)上述3種作用力之和大于熔體的表面張力時(shí)，狹縫出口處的熔膜將自組織成多射流。與此同時(shí)，噴頭端的高壓電場(chǎng)能夠?qū)⒖諝夥肿?O2、N2、H2O)進(jìn)行電離，形成正離子和負(fù)離子。正離子直接被噴頭表面的電子中和，負(fù)離子則在電場(chǎng)力作用下向接收裝置運(yùn)動(dòng)，形成電暈電流。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，負(fù)離子將和空氣分子發(fā)生碰撞引起空氣分子流動(dòng)，形成電離風(fēng)[19](見(jiàn)圖8)。

圖8中的射流缺失現(xiàn)象與接收裝置的金屬尖銳凸起相關(guān)。當(dāng)接收裝置存在金屬尖銳凸起時(shí)，在尖端效應(yīng)的作用下，尖銳凸起處的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大，凸起處對(duì)空氣的電離強(qiáng)度增加，形成大量向噴頭端運(yùn)動(dòng)的正離子。在噴頭端與接收裝置間電勢(shì)差不變的條件下，與尖銳凸起位置相對(duì)應(yīng)的噴頭處電場(chǎng)強(qiáng)度將急劇降低，導(dǎo)致向接收裝置運(yùn)動(dòng)的負(fù)離子數(shù)量急劇減少。分別由噴頭和接收裝置凸起電離的正負(fù)離子在紡絲空間相遇，相互抵消。當(dāng)接收裝置凸起電離的正離子數(shù)量大于噴頭電離的負(fù)離子數(shù)量時(shí)，將有多余的正離子繼續(xù)朝向噴頭端運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與聚合物熔體接觸時(shí)，使聚合物熔體受到向上的電場(chǎng)力和向上的沖量，抑制了射流的產(chǎn)生，形成了射流的缺失[19-20]。

采用電場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法，將接收裝置由金屬平板更換為直徑為2 mm的金屬絲線，形成典型的尖銳凸起，用于驗(yàn)證上述射流缺失機(jī)制。2種不同形狀接收裝置的電場(chǎng)分布如圖9所示。相對(duì)于金屬平板，當(dāng)金屬絲線為接收裝置時(shí)，噴頭和接收裝置的相對(duì)電場(chǎng)大小發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，金屬絲線的最大電場(chǎng)強(qiáng)度在接收裝置處，為3.5×106V/m，噴頭端則為1.0×106V/m；而金屬平板的最大電場(chǎng)強(qiáng)度在噴頭處，為1.8×106V/m，接收裝置處則僅為4.0×105V/m。

圖9 接收絲線與接收板電場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)比圖Fig.9 Comparison of electric intensity distribution between receiving wire and plate

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用金屬絲線為接收裝置時(shí)，不僅沒(méi)有形成熔體射流，反而出現(xiàn)了熔體逆著重力向上爬坡的現(xiàn)象，并伴隨著強(qiáng)烈的嗤嗤的聲音，如圖10所示。聚合物熔體能克服重力往上爬坡，則必然存在某種向上的力大于熔體所受的重力。根據(jù)金屬平板電極和金屬絲電極在電場(chǎng)強(qiáng)度分布上的差異，得出金屬絲線產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴頭產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度是熔體爬坡的主要原因。熔體爬坡現(xiàn)象的出現(xiàn)驗(yàn)證了圖8中的射流缺失的機(jī)制，其為接收裝置局部尖端造成與紡絲方向相反的離子流運(yùn)動(dòng)，離子流作用于熔體薄膜抑制射流的產(chǎn)生，因此，在靜電紡絲裝備中，保證噴頭處的電場(chǎng)強(qiáng)度大于接收裝置處的電場(chǎng)強(qiáng)度是射流產(chǎn)生的必要條件。

圖10 熔體爬坡示意圖Fig.10 Diagram of polymer melt climbing up

圖8中的紙張均化效應(yīng)是紙的極化性和導(dǎo)電性共同作用的結(jié)果。首先紙作為Cu接收裝置和噴頭之間的隔離物，阻斷了二者激發(fā)的電離離子的直接通路，使電離離子在紙上進(jìn)而二次均勻分布，消除了由接收端局部凸起引起的向噴頭端運(yùn)動(dòng)的離子流，進(jìn)而消除了射流缺失現(xiàn)象。紙中主要的成分如纖維素具有較強(qiáng)的極性，紙中的成分含有鉀、鈣等導(dǎo)電離子，使紙具有一定的導(dǎo)電能力。紙的極性可以對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行二次分布，紙的適中導(dǎo)電性又不會(huì)引起電荷在其上的聚集。

為了驗(yàn)證紙張均化效應(yīng)的機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將Cu+Al接收材質(zhì)包覆1張紙(Cu+Al+PA)，觀察其射流分布的變化，如圖11所示。當(dāng)Cu+Al接收材質(zhì)改變?yōu)镃u+Al+PA接收材質(zhì)后，射流均勻性得到明顯提高，在紡絲電壓為35 kV，紡絲距離為7 cm的條件下，射流平均間距由2.5 mm立刻降低至2.2 mm。進(jìn)一步通過(guò)增加紙張數(shù)量達(dá)到改變紙張厚度的方法，研究紙張厚度對(duì)射流間距的影響(見(jiàn)圖11)。可知，紙張數(shù)量對(duì)射流間距的影響不明顯，紙張數(shù)量為1、6、11時(shí)，平均射流間距均為2.2 mm，紙張數(shù)量為15時(shí)，平均射流間距略微增加到2.3 mm。從擊穿電壓方面，當(dāng)紙張數(shù)量由0增加到1時(shí)，擊穿電壓由44.6 kV立即上升到46.6 kV，當(dāng)紙張數(shù)量由1增加到15時(shí)，擊穿電壓由46.6 kV上升到50.8 kV。這是由于隨紙張數(shù)量的增加，紡絲空間的電阻逐漸增大，擊穿電壓逐漸增大。當(dāng)紙張數(shù)量增大到15時(shí)，紡絲空間電阻過(guò)大，導(dǎo)致紡絲電流和電離離子無(wú)法及時(shí)導(dǎo)走，在接收裝置上聚集從而引起平均射流略微降低。

圖11 紙張數(shù)量對(duì)射流間距和擊穿電壓的影響Fig.11 Effects of paper thickness on inter-jet distance and break-through voltage

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了紙張厚度對(duì)接收裝置電阻值的影響，1、6、11、15張紙的電阻分別為2.7×105、2.13×107、3.2×107、4.1×107Ω。1張紙的電阻比多張紙的電阻小2個(gè)數(shù)量級(jí)，多張紙的電阻在同一數(shù)量級(jí)且逐漸增大。上述結(jié)果主要是由于在測(cè)量過(guò)程中，多張紙無(wú)法完全壓實(shí)，紙張之間存在空氣氣隙。在靜電紡絲過(guò)程中，接收裝置的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了4.0×105V/m，可極化紙中纖維素等分子，引起多張紙之間具有一定的吸附力，能在一定程度上消除紙間的空氣，降低了電阻值，因此，射流密度不隨紙張數(shù)量的增加發(fā)生變化。由于在高壓電場(chǎng)下多張紙的電阻值無(wú)法精確測(cè)量，且綜合考慮高壓電場(chǎng)對(duì)紙的極化作用及射流密度變化情況，推薦1張紙的電阻(2.7×105Ω)為最佳的接收裝置電阻。

圖8中的電荷聚集效應(yīng)與Cu+PET接收裝置的高電阻性(>1.0×1011Ω)有關(guān)。當(dāng)噴頭誘導(dǎo)的電離離子，紡絲電流運(yùn)動(dòng)到接收裝置時(shí)，高電阻性的Cu+PET接收裝置阻斷了離子和紡絲電流繼續(xù)向高壓電源運(yùn)動(dòng)的路徑，從而在接收裝置上聚集。在接收裝置上聚集的負(fù)性電離離子和電荷抑制了負(fù)電荷在噴頭端的聚集，降低電荷密度，削弱電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而減小了射流密度。

3 結(jié) 論

射流密度和均勻性是影響靜電紡絲效率和成網(wǎng)均勻性的重要因素，本文在熔體微分直線靜電紡絲設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究了紡絲電壓以及接收裝置材質(zhì)對(duì)射流間距和射流分布均勻性的影響，主要得到了如下結(jié)論。

1)高壓靜電紡絲中，射流的密度和均勻性均隨著噴頭端電場(chǎng)強(qiáng)度的提高而提高，最小的平均射流間距可降至1.9 mm，最小射流間距偏差為0.2 mm。

2)提出并驗(yàn)證了靜電紡絲空間的電場(chǎng)模型。熔體微分靜電紡絲中，電離電荷和電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)射流分布均起著重要的作用。紡絲過(guò)程不能忽視電離電流的影響，當(dāng)紡絲方向與電離離子運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，電離離子會(huì)抑制射流的產(chǎn)生；當(dāng)接收板上的電離離子不能及時(shí)導(dǎo)走時(shí)，會(huì)反作用削弱噴頭端的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低射流效率。

3)當(dāng)金屬材質(zhì)作為接收材質(zhì)時(shí)，其表面材質(zhì)的均勻性和光潔度對(duì)射流分布具有重要影響。在金屬材質(zhì)的表面包覆電阻為2.7×105Ω的紙，可對(duì)電離離子進(jìn)行二次均勻分布，降低對(duì)金屬材質(zhì)的加工要求。雖然接收材質(zhì)為電阻值大于1.0×1011Ω的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇材質(zhì)弱化了噴頭端的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是為靜電紡絲微納導(dǎo)電纖維的制備提供了解決辦法。

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