宿磊磊，吳宇珂，彭 偉，李清清，方嘉勤

（東華理工大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

靜電紡絲相較于傳統(tǒng)紡絲技術(shù)能夠直接連續(xù)地制備納米纖維[1]。靜電紡絲過程中，聚合物溶液在強(qiáng)電場(chǎng)作用下帶電形變。在電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下，液滴毛細(xì)管末端逐漸變成一個(gè)圓錐，即泰勒錐[2]。當(dāng)電場(chǎng)足夠大時(shí)，泰勒錐表面形成射流，經(jīng)過電場(chǎng)的高速拉伸、溶劑的揮發(fā)固化，最終聚合物纖維形成。靜電紡絲在過去的20年里由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到極大關(guān)注，如纖維的大表面積體積比和高孔隙率，在生物醫(yī)學(xué)材料、過濾、涂層和傳感器[3-6]等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)靜電紡絲技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但纖維的產(chǎn)率較低，只能達(dá)到0.01～0.3 g/h，這極大地限制了納米纖維的生產(chǎn)效率[7]。為了提高納米纖維的產(chǎn)率，增加噴絲頭的數(shù)目是靜電紡絲系統(tǒng)中常用方法。實(shí)質(zhì)上是增加聚合物射流的數(shù)量。然而，相鄰噴絲頭間的靜電相互干擾會(huì)造成纖維膜不均勻。無針靜電紡絲被認(rèn)為是提高納米纖維產(chǎn)率的有效技術(shù)[8]。通過溶液在開放區(qū)域內(nèi)從液體表面形成更多的射流，以此增加生產(chǎn)納米纖維的效率。Liu等[9]提出的氣泡靜電紡絲技術(shù)，利用氣泡破裂時(shí)形成更多射流來提高納米纖維的生產(chǎn)效率。Niu等[10]將圓柱滾筒上的銅線連接高壓電源浸潤(rùn)在溶液中并極化聚合物溶液，通過滾筒旋轉(zhuǎn)帶走少量溶液附著在滾筒表面，繼而形成射流生產(chǎn)纖維。但無針靜電紡也存在系統(tǒng)復(fù)雜和成本高等問題，目前也未能實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)纖維。近年來，相關(guān)研究結(jié)合傳統(tǒng)靜電紡絲和無針靜電紡絲的優(yōu)點(diǎn)，提出單針輔助電極靜電紡絲系統(tǒng)[11]。該方法為提高納米纖維的生產(chǎn)效率提供途徑。

本文采用一種利用有限元來模擬電場(chǎng)的數(shù)值分析技術(shù)，即COMSOL Multiphysics 5.3，對(duì)單針輔助電極靜電紡絲系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。根據(jù)實(shí)際裝置的大小，利用COMSOL對(duì)有無輔助電極的傳統(tǒng)靜電紡絲系統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小和分布進(jìn)行研究。根據(jù)結(jié)果分析輔助電極位置對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

1 電場(chǎng)模擬與裝置設(shè)計(jì)

1.1 COMSOL模擬原理及參數(shù)

COMSOL作為一款以有限元分析為基礎(chǔ)的模擬仿真軟件，通過以下流程進(jìn)行模擬分析，即確定模擬內(nèi)容→建立模型→設(shè)定求解域與邊界條件→進(jìn)行網(wǎng)格劃分→求解器求解→對(duì)結(jié)果后處理[12]。

目前COMSOL可實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的模擬。本文采用三維的空間維度，使用AC/DC模塊中的靜電物理場(chǎng)對(duì)靜電場(chǎng)進(jìn)行模擬，其中靜電場(chǎng)強(qiáng)遵循泊松方程[13]：

式中：ε0為真空相對(duì)介電常數(shù)；εγ為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；V為電勢(shì)能；ρ為空間電荷密度，根據(jù)相關(guān)等式E=-?V可得到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值。

根據(jù)模擬要求，模型的求解設(shè)置中需要紡針、接收板以及空氣的相對(duì)介電常數(shù)。本文輔助電極、紡針和接收板均為金屬材質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為1.5，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1。在模擬中，模型周圍的空氣邊界采用零電荷，已達(dá)到充當(dāng)有限邊界內(nèi)實(shí)現(xiàn)靜電紡絲無限遠(yuǎn)距離的目的。裝置的接收板接地，針的邊界設(shè)置為相應(yīng)的電壓值，其余邊界條件設(shè)為連續(xù)。表1所示為模擬的靜電紡絲裝置參數(shù)和規(guī)格。

表1 靜電紡絲場(chǎng)強(qiáng)模擬基本參數(shù)

1.2 裝置設(shè)計(jì)

常見的靜電紡絲裝置由高壓電源、噴頭及供液裝置和纖維接收裝置3部分組成[14]，如圖1所示。在模擬中集電極和無限遠(yuǎn)處均設(shè)置為零電位，參數(shù)包括電極尖端到噴絲頭的間距從2～0.5 cm，施加的工作電壓為9、10、11和12 kV。在所有模擬中，噴絲頭尖端到接收板的距離均為15 cm。

圖1 靜電紡絲裝置Fig.1 Electrostatic spinning device

本模擬對(duì)不同位置輔助電極下單噴絲頭的電場(chǎng)進(jìn)行研究。圖1為模擬的單針多射流靜電紡絲裝置。研究輔助電極的空間位置和電極位置與噴絲頭間距對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。圖中的接收板是一個(gè)長(zhǎng)為160 mm，寬100 mm，厚2 mm的平面板。圖1中（a）是平行于噴絲頭的輔助電極，（b）則是垂直于噴絲頭的輔助電極。

圖2（a）和（b）是沒有輔助電極（系統(tǒng)1）的單根金屬紡針。圖2（c）和（d）是在側(cè)面添加平行于噴絲頭的輔助電極單紡針系統(tǒng)，輔助電極接地且電極尖端和噴絲頭尖端并列（系統(tǒng)2），圖2（e）和（f）中的輔助電極與噴絲頭垂直，輔助電極接地（系統(tǒng)3）。

圖2 單個(gè)無輔助電極針頭Fig.2 Single needle without auxiliary electrode

2 結(jié)果與討論

2.1 輔助電極空間位置對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

如圖3所示，對(duì)傳統(tǒng)靜電紡絲系統(tǒng)1～3下噴絲頭進(jìn)行模擬研究。利用COMSOL Multiphysics軟件計(jì)算靜電紡絲過程中的電場(chǎng)在三維平面上的分布。圖中針頭的紅色部分顯示的是最強(qiáng)電場(chǎng)，藍(lán)色部分則表示為最弱電場(chǎng)。

圖3 模擬單針靜電紡絲區(qū)域電場(chǎng)分布Fig.3 Electric field distribution diagram of simulated single needle electrospinning area

表2所示為在不同電壓下3種系統(tǒng)的噴絲頭沿x軸和y軸方向模擬的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。圖4則為不同電壓下紡絲區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度，輔助電極不帶電壓，噴絲頭與電極之間的距離為1 cm。圖4（a）、（b）和（c）分別代表在9～12 kV電壓下3種不同輔助電極（無、垂直和平行）情況下噴絲頭和輔助電極在y軸上的電場(chǎng)變化。模擬結(jié)果表明，無輔助電極時(shí)，噴絲頭兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，噴絲頭中間部分電場(chǎng)強(qiáng)度最小，場(chǎng)強(qiáng)從噴絲頭兩端向中間不斷遞減，噴絲頭兩側(cè)場(chǎng)強(qiáng)不斷減小。輔助電極平行噴絲頭時(shí)，在輔助電極附近出現(xiàn)較高的電場(chǎng)強(qiáng)度。相較平行于噴絲頭的輔助電極，垂直輔助電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度偏小。但兩者附近都比無輔助電極時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)大很多。觀察圖4（b）和（c），發(fā)現(xiàn)從噴絲頭到輔助電極，電場(chǎng)強(qiáng)度先減小，隨后在輔助電極附近增大，且噴絲頭上的場(chǎng)強(qiáng)比無輔助電極時(shí)噴絲頭上的場(chǎng)強(qiáng)大得多，說明輔助電極的加入，增大了紡絲區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度。噴絲頭與輔助電極平行時(shí)，噴絲頭電場(chǎng)強(qiáng)度高于垂直時(shí)的噴絲頭場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)輔助電極是接地的。

表2 不同電壓下平行和垂直于輔助電極的噴絲頭在y軸上最大場(chǎng)強(qiáng)值（針尖在集電極上方15 cm處）

圖4 不同電壓下紡絲區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.4 Electric field intensity in the spinning region at different voltges

圖4（d）、（e）和（f）則分別表示在9～12 kV電壓下3種不同輔助電極（無、垂直和平行）情況下噴絲頭到接收板沿x軸的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從噴絲頭到接收板，電場(chǎng)強(qiáng)度是不斷遞減的。其他參數(shù)條件不變下，噴絲頭有輔助電極（平行或垂直）和無輔助電極時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度都隨著工作電壓的不斷增大而增大。分別比較不同電壓（9～12 kV）下傳統(tǒng)靜電紡絲相同電壓的三種系統(tǒng)沿x軸的電場(chǎng)強(qiáng)度?？梢钥闯?，有輔助電極的噴絲頭最大場(chǎng)強(qiáng)位于3.5×106～5.2×106V/m，無輔助電極的噴絲頭最大場(chǎng)強(qiáng)位于3.0×106～4.2×106V/m，兩者相對(duì)比，添加輔助電極的系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)有明顯的增大，說明輔助電極的加入極大地增強(qiáng)了紡絲過程中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)模擬表2來看，當(dāng)工作電壓為12 kV時(shí)，平行位置輔助電極的噴絲頭尖端的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax=5.2×106V/m，垂直位置輔助電極的噴絲頭尖端的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax=4.7×106V/m，無輔助電極的噴絲頭尖端的最大場(chǎng)強(qiáng)Emax=1.2×106V/m。比較3種系統(tǒng)下的噴絲頭尖端最大場(chǎng)強(qiáng)值，發(fā)現(xiàn)添加電極后的噴絲頭場(chǎng)強(qiáng)值大于無輔助電極的場(chǎng)強(qiáng)值，平行于電極的噴絲頭尖端場(chǎng)強(qiáng)值大于垂直于電極的噴絲頭尖端場(chǎng)強(qiáng)值。結(jié)果表明，輔助電極可以增強(qiáng)噴絲頭尖端的場(chǎng)強(qiáng)，且平行位置的電極效果最好。這可使產(chǎn)生射流的閾值電壓小于垂直位置輔助電極，可以產(chǎn)生比垂直位置更多的射流。射流產(chǎn)生的越多，納米纖維的產(chǎn)率就越高。

2.2 電極與噴絲頭的距離對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響

前文研究了3種不同情況下不帶電輔助電極空間位置對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。通過選取前文的平行輔助電極裝置，進(jìn)一步研究在相同電壓12 kV和噴絲頭距離接收板15 cm條件下，輔助電極與噴絲頭的距離從2～0.5 cm的變化對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，如圖5所示。

圖5 X、Y軸上噴絲頭與輔助電極或接收板上場(chǎng)強(qiáng)的最值Fig.5 Maximum value of field strength of spinneret and auxiliary electrode or receiving plate on X and Y axes

通過觀察12 kV電壓下X軸上噴絲頭與接收板的場(chǎng)強(qiáng)最值，發(fā)現(xiàn)隨著輔助電極和噴絲頭間距的不斷減小，接收板上的場(chǎng)強(qiáng)最值相對(duì)穩(wěn)定，噴絲頭尖端的場(chǎng)強(qiáng)先減小，到達(dá)臨界值后再增大。在噴絲頭和接收板方向上，電場(chǎng)強(qiáng)度由最大逐漸減為0。對(duì)于12 kV電壓下Y軸上噴絲頭與輔助電極的場(chǎng)強(qiáng)最值，模擬研究表明，在噴絲頭與輔助電極方向上，電場(chǎng)強(qiáng)度先減小然后在輔助電極面上增大，隨著輔助電極與噴絲頭間距的減小，輔助電極上的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了帶輔助電極的傳統(tǒng)靜電紡絲裝置，研究了輔助電極的空間位置和電極與噴絲頭間距對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。利用COMSOL Multiphysics軟件，采用有限元法模擬了電場(chǎng)分布。仿真結(jié)果表明，與無輔助電極的噴絲頭附近場(chǎng)強(qiáng)相比，輔助電極（平行或垂直）的加入增強(qiáng)了噴絲頭的電場(chǎng)強(qiáng)度，噴絲頭尖端液滴所受電場(chǎng)力增大，促進(jìn)多射流的產(chǎn)生。平行位置輔助電極相較于垂直產(chǎn)生射流的閾值電壓更小，可產(chǎn)生更多的射流，提高纖維產(chǎn)率。隨著工作電壓和輔助電極與噴絲頭間距的增大，靜電紡絲的場(chǎng)強(qiáng)增大，促進(jìn)多射流的產(chǎn)生。該研究對(duì)于擴(kuò)大單針多射流靜電紡絲的發(fā)展具有重要的理論意義和工業(yè)意義。本文的相關(guān)研究同樣適用于靜電紡絲的發(fā)展。