劉朝陽(yáng),管聲啟,何建新,周玉嫚,梁 洪

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院,河南 鄭州 450007)

0 引 言

靜電紡絲作為一種可連續(xù)生產(chǎn)納米纖維的新型紡織技術(shù),具有工藝簡(jiǎn)單,紡絲行程短等特性。其產(chǎn)生的納米纖維具備超細(xì)尺度、大比表面積和高孔隙率等優(yōu)點(diǎn),因此納米纖維應(yīng)用越來(lái)越廣泛,在化工、能源、傳感器等眾多領(lǐng)域都擁有巨大的使用價(jià)值[1-3]。自從用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維[4]以來(lái)，運(yùn)用靜電力方式批量化、產(chǎn)業(yè)化制備納米纖維一直是科研人員長(zhǎng)期以來(lái)的研究目標(biāo),而利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維并將其加捻成紗,也是目前的研究熱點(diǎn)之一。靜電紡納米纖維成紗市場(chǎng)潛力巨大,前景廣闊[5-6]。

大多數(shù)靜電紡納米纖維存在擁有雜亂無(wú)章的結(jié)構(gòu)、較低的力學(xué)性能、缺乏縫編性以及量產(chǎn)困難等問(wèn)題[7]。如果將靜電紡納米纖維加捻成紗線,纖維沿紗軸平行取向,可賦予纖維獨(dú)特的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和生物學(xué)等性能[8]。鑒于納米紗線的廣泛應(yīng)用,研究人員對(duì)運(yùn)用靜電紡的方法制備納米纖維并將其加工成紗線的方式展開(kāi)了廣泛研究[9]。從原理上,這些研究可分為以下幾類:(1)濕法紡紗[10];(2)間隙加捻法[11];(3)負(fù)壓吸動(dòng)機(jī)械加捻成紗[12];(4)雙針頭共軛靜電紡紗[13]。雖然有很多方法可以連續(xù)制備納米纖維紗線,但并沒(méi)有從根本上解決批量化生產(chǎn)問(wèn)題,沒(méi)有真正形成有效的納米纖維規(guī)模化制備方法來(lái)適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的要求[14-15]。

為了能夠提高納米纖維產(chǎn)量,文中依據(jù)靜電紡絲基本原理,結(jié)合氣流輔助作用,運(yùn)用摩擦加捻成紗的方式,設(shè)計(jì)一種新型靜電紡納米纖維及成紗裝置,用于大批量生產(chǎn)納米纖維紗線。通過(guò)有限元分析軟件ANSYS workbench對(duì)塵籠骨架進(jìn)行校核[16-17],并利用ANSYS Maxwell電場(chǎng)模擬軟件和Fluent流場(chǎng)模擬軟件分別對(duì)紡絲噴頭至塵籠接收裝置進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析,驗(yàn)證裝置的可行性[18-21]。

1 靜電紡納米纖維成紗裝置

1.1 總體方案

為了解決大批量制備納米纖維和連續(xù)成紗問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種氣流輔助靜電紡納米纖維成紗裝置,裝置整體效果如圖1所示。工作時(shí),紡絲溶液由計(jì)量泵勻速進(jìn)入噴頭溶液室,空氣由氣泵加壓進(jìn)入氣室中存儲(chǔ),通過(guò)左右兩側(cè)共8個(gè)氣道噴射而出。紡絲噴頭與高壓發(fā)生器的正極相連,高壓發(fā)生器的負(fù)極與塵籠下端的銅絲相連,形成電場(chǎng);在電場(chǎng)力為主要牽伸力情況下,輔以氣流作用力,使得溶液噴出拉伸成絲形成納米纖維,沉積聚集在2個(gè)塵籠輥?zhàn)优浜闲纬傻娜菂^(qū)之中。集聚的納米纖維束被具有一定速度差并同向轉(zhuǎn)動(dòng)的2個(gè)塵籠輥摩擦加捻后,得到連續(xù)有捻的納米纖維紗線。

圖 1 靜電紡納米纖維成紗裝置圖Fig.1 Electrospinning device diagram of nanofibers

1.2 噴頭結(jié)構(gòu)

合理的噴頭結(jié)構(gòu)可以降低紡絲過(guò)程中許多外界的干擾因素。進(jìn)行噴頭設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮紡絲噴頭的形狀和排列方式,還要考慮到噴頭是否帶有尖端，能否便利安裝等因素,其目的都是使得噴頭能夠更好地適應(yīng)紡絲裝置,能夠在紡絲區(qū)域中形成均勻而且穩(wěn)定的紡絲電場(chǎng)。另外,考慮到氣流對(duì)溶液射流有牽伸細(xì)化作用,可以提高紡絲溶液流量,提高纖維產(chǎn)量。由于氣流擴(kuò)散的不穩(wěn)定性,需要對(duì)氣流輔助纖維成型軌跡進(jìn)行有效控制[22],因此設(shè)計(jì)一種新型噴頭，如圖2所示。溶液計(jì)量泵中的溶液從噴孔中噴出,噴孔處形成的小液滴在電場(chǎng)力作用下形成泰勒錐并進(jìn)行初步拉伸。左右兩旁的4組氣流分別從出氣通道里面吹出,在氣流作用下,形成泰勒錐的液滴進(jìn)一步被拉伸細(xì)化,形成的納米纖維沉積在接收輥?zhàn)由?。電?chǎng)力與氣流力的相互共同作用,使得生成的納米纖維聚集在接收輥?zhàn)娱g隙中心的區(qū)域。

從圖2可以看出,溶液室位于噴頭中間,另外有空腔分布在溶液室左右兩側(cè),由4組螺栓將蓋板固定在一起。溶液室用于存儲(chǔ)紡絲溶液,溶液室左右兩側(cè)分別設(shè)有4個(gè)空腔,左右一一對(duì)應(yīng),組成4組氣室。噴頭的下端設(shè)有噴液孔,以及與每個(gè)氣室相連用來(lái)噴氣的噴氣口。噴液孔直徑為0.5 mm,孔中心距為3 mm,氣流槽夾角θ為60°。噴頭中的第一組氣室進(jìn)行噴氣的主要作用是對(duì)已經(jīng)由電場(chǎng)力進(jìn)行初步拉伸的液滴纖維進(jìn)行再拉伸,并保證其纖維取向正常;另外3組氣流不僅可以對(duì)纖維再次拉伸,還能輔助纖維沉積,提高納米纖維產(chǎn)量。

圖 2 噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of nozzle structure

1.3 加捻成紗接收裝置

利用塵籠輥?zhàn)优c摩擦紡紗結(jié)合的方式設(shè)計(jì)一種雙塵籠加捻連續(xù)成紗的接收裝置,通過(guò)以機(jī)械-空氣動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的原理,使納米纖維定向凝聚吸附在塵籠三角區(qū)內(nèi),并利用雙塵籠同向回轉(zhuǎn)作用對(duì)納米纖維進(jìn)行摩擦加捻來(lái)收集紗線。接收裝置主要由電機(jī)、塵籠輥?zhàn)?、風(fēng)機(jī)以及高速氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)接頭等組成。渦輪風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行抽氣,將渦輪風(fēng)機(jī)連接到塵籠,使得塵籠內(nèi)部形成負(fù)壓,一方面可以更好地將纖維收集控制在兩塵籠夾縫三角區(qū)之內(nèi),另一方面吸附作用有助于加快收集速度,增大纖維產(chǎn)量。2個(gè)塵籠之間有相應(yīng)的轉(zhuǎn)速差,其轉(zhuǎn)速差約為10%,轉(zhuǎn)速差可以使得納米纖維紗條不會(huì)產(chǎn)生軸向跳動(dòng)。塵籠輥?zhàn)酉鄬?duì)轉(zhuǎn)動(dòng)將接收的納米纖維加捻,經(jīng)導(dǎo)紗輥引出,形成紗線。

2 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 塵籠骨架靜力分析與模態(tài)分析

在纖維接收過(guò)程中,2個(gè)塵籠的高速同向旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生變形,嚴(yán)重影響以2個(gè)塵籠同向運(yùn)動(dòng)摩擦加捻方式來(lái)收集紗線的效果。塵籠骨架在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和其固有頻率引起相應(yīng)共振現(xiàn)象。為了避免該現(xiàn)象對(duì)塵籠骨架產(chǎn)生的損壞,文中用Workbench軟件對(duì)塵籠骨架進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖 3 模擬結(jié)果Fig.3 Simulation result

從圖3的塵籠骨架塑性變形圖可以看出,塵籠骨架的應(yīng)力主要集于兩軸端處,以及加工塵籠表面的圓孔四周。其中軸頸處最為明顯,最大應(yīng)力為0.220 74 MPa。因此對(duì)其進(jìn)行圓角加工來(lái)降低應(yīng)力。觀察圖3中的整體變形圖,可以看出變形主要發(fā)生塵籠主體上,變形量最大的地方位于塵籠骨架中部,為0.000 173 68 mm,與整個(gè)塵籠主體的結(jié)構(gòu)尺寸相比,該變形量可以忽略不計(jì)。認(rèn)定塵籠骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在工作運(yùn)行過(guò)程中,轉(zhuǎn)速較高會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象引起破壞。因此需要計(jì)算其圓周頻率振型,并對(duì)骨架進(jìn)行模態(tài)分析防止由于其共振現(xiàn)象使骨架產(chǎn)生損壞。首先建立有限元模型,設(shè)定材料屬性為45鋼,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后在約束條件下,將圓周約束添加到軸承的支撐部位。對(duì)骨架進(jìn)行10階模態(tài)振型分析,得到10階模態(tài)的頻率，如表1所示。從結(jié)果中分析得知,塵籠骨架軸頸處發(fā)生軸向偏移,該變化在1階模態(tài)表現(xiàn)明顯。在2階、3階模態(tài)中徑向變形比較明顯,軸向變形主要發(fā)生在4，5，6階,而從7階模態(tài)分析到10階當(dāng)中,塵籠骨架既有軸向偏移、扭轉(zhuǎn),也有徑向偏移,變化明顯。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,從1階到10階,隨著階數(shù)的增加固有頻率也相應(yīng)增大,在幾個(gè)變形較為相似的地方,其固有頻率也近似。25～41.67 Hz是塵籠骨架基頻的范圍,遠(yuǎn)小于骨架最低固有頻率815.32 Hz,由此斷定,可以避開(kāi)共振頻率。

表 1 固有頻率分布表

2.2 電場(chǎng)與流場(chǎng)模擬仿真

運(yùn)用電場(chǎng)模擬軟件 Ansys Maxwell 和流場(chǎng)模擬軟件 Fluent 對(duì)靜電紡納米纖維成紗裝置系統(tǒng)進(jìn)行電場(chǎng)與流場(chǎng)模擬, 模擬時(shí)所設(shè)置的材料屬性均為材料真實(shí)屬性, 模擬區(qū)域?yàn)閲婎^至塵籠接收輥表面, 得出電場(chǎng)模擬的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)分布， 如圖4， 5所示。

圖 4 電場(chǎng)分布圖Fig.4 Electric field distribution

從圖4可以看出,整個(gè)計(jì)算區(qū)域以金屬棒軸線為中心線對(duì)稱分布,紡絲區(qū)域?yàn)闇\藍(lán)色,紡絲區(qū)域外為深藍(lán)色,電場(chǎng)強(qiáng)度分布較為均勻。而金屬棒負(fù)極處顏色呈紅色,然后變?yōu)樘焖{(lán)色最后變化至深藍(lán)色,說(shuō)明金屬棒負(fù)極處電場(chǎng)強(qiáng)度最高,然后依次降低,電場(chǎng)強(qiáng)度最大的地方主要集中在紡絲區(qū)域內(nèi)。

圖5流場(chǎng)分布圖中不同顏色表示具有不同的氣流速度,顏色從紅色向藍(lán)色變化表示氣流速度逐漸減小。氣流強(qiáng)度由噴頭中間向兩側(cè)慢慢增加,氣流分布角度依次增大,從而形成4組階梯氣流配置的氣流場(chǎng),顯著增大狹長(zhǎng)的較強(qiáng)氣流場(chǎng)外側(cè)對(duì)稱分布的強(qiáng)氣流場(chǎng)區(qū)域,氣流的擴(kuò)散作用減弱,強(qiáng)弱氣流間界限清晰,整個(gè)高速氣流區(qū)完全覆蓋至加捻區(qū)。很好地驗(yàn)證了高壓階梯氣流場(chǎng)能夠較好控制纖維運(yùn)動(dòng),同時(shí)驗(yàn)證了裝置的可行性。

圖 5 流場(chǎng)分布圖Fig.5 Distribution of airflow field

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的實(shí)用性,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PVDF(聚偏氟乙烯)溶液進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)紡絲電壓34 kV,溶液流量48 mL/h,距離40 cm,溫度28 ℃,相對(duì)濕度18%,4組階梯氣流壓力從0.2 MPa開(kāi)始以每組相差0.2 MPa均勻遞增。

由于引入的紗線與纖維的接收補(bǔ)入同時(shí)進(jìn)行,因此能夠得到不間斷的加捻纖維條。依照文中所給出參數(shù)進(jìn)行PVDF紡絲實(shí)驗(yàn)1 h,得到聚偏氟乙烯納米纖維紗線SEM電鏡圖，如圖6所示。

圖 6 PVDF納米纖維電鏡圖Fig.6 Electron microscopy of PVDF nanofibers

從圖6可以發(fā)現(xiàn),納米纖維紗擁有較好的紗線和纖維形貌,細(xì)度均勻,且具有均勻的捻回分布,直徑分布在200～300 μm,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的成紗裝置的可行性。單純的單針頭靜電紡絲的納米纖維產(chǎn)量在0.3～0.5g/h左右,而本次PVDF納米纖維紗產(chǎn)量達(dá)到3.689 g/h,遠(yuǎn)大于單針頭靜電紡納米線產(chǎn)量,證明了本裝置具有大批量生產(chǎn)納米纖維的能力,為實(shí)現(xiàn)納米纖維批量化生產(chǎn)提供幫助。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前存在的靜電紡納米纖維紗線產(chǎn)量低等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種氣流輔助靜電紡納米纖維成紗裝置。對(duì)噴頭多氣室設(shè)計(jì),使得多股氣流與電場(chǎng)力協(xié)同牽伸對(duì)液滴進(jìn)行拉伸細(xì)化形成纖維,有效保證纖維的利用率,提高纖維產(chǎn)量。將輥?zhàn)咏邮昭b置與摩擦紡紗原理相結(jié)合,設(shè)計(jì)一種新型接收裝置,接收裝置中引入的紗線與納米纖維的補(bǔ)入同時(shí)進(jìn)行,既能夠提高紗線產(chǎn)量又能夠得到連續(xù)有捻紗線條,提高了紗線生產(chǎn)效率。同時(shí)通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行仿真分析,以及PVDF溶液紡絲實(shí)驗(yàn)，成功制備了納米纖維紗,驗(yàn)證了裝置的可行性。所制備的PVDF納米纖維紗直徑分布在200～300 μm左右,細(xì)度均勻,擁有較好的紗線和纖維形貌,產(chǎn)量達(dá)到3.689 g/h。該裝置的紡紗量遠(yuǎn)大于單針頭靜電紡紗產(chǎn)量,具有大批量生產(chǎn)納米纖維的能力。