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(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300387）

目前，制備一維納米結(jié)構(gòu)有機(jī)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(jiǎn)便有效、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)也是它較于其他方法的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)。此外，靜電紡絲納米纖維膜具有高孔隙率、納米到微米級(jí)孔尺寸、高透氣性等特點(diǎn)[3]。對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用。難點(diǎn)在于，作為規(guī)?；娂從ぶ苽浼夹g(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(gè)針頭直線排列時(shí)，針排兩側(cè)的針頭出來的紡絲射流向兩側(cè)偏移，嚴(yán)重時(shí)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(fèi)，同時(shí)中間的針頭不易形成紡絲射流，造成紡絲效率低下，難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。目前，有少數(shù)研究人員展開了對(duì)多針頭靜電紡絲過程中場(chǎng)強(qiáng)分布的數(shù)值模擬研究[8-9]，也有人提出了改善場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，但是收效并不大，且不能同時(shí)提高場(chǎng)強(qiáng)大小和場(chǎng)強(qiáng)分布均勻性。本課題組前期已經(jīng)對(duì)線性多針頭靜電紡絲過程場(chǎng)強(qiáng)的大小和分布進(jìn)行了初步分析[12-13]，并提出了改善場(chǎng)強(qiáng)大小和分布的措施，包括兩側(cè)采用不等針長(zhǎng)、不等電壓、不等間距、兩側(cè)針頭只加壓不供液，或每個(gè)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(duì)金屬套管對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的改善作用進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

本研究采用金屬套筒對(duì)每個(gè)針頭施加輔助電極，研究金屬套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多針頭靜電紡絲過程中場(chǎng)強(qiáng)大小和分布的影響，獲得最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，以達(dá)到在相同紡絲條件下增大場(chǎng)強(qiáng)且提高場(chǎng)強(qiáng)分布均勻性、有效削弱“邊緣效應(yīng)”的目的，同時(shí)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(chǎng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)五針頭靜電紡絲體系進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度與分布的模擬與分析；在基于獲得較高電場(chǎng)強(qiáng)度和較均勻的電場(chǎng)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(duì)多針頭靜電紡絲過程中紡絲頭結(jié)構(gòu)參數(shù)例如針長(zhǎng)、針直徑、針間距、針數(shù)、電壓、接收距離等對(duì)場(chǎng)強(qiáng)大小和分布的影響進(jìn)行仿真模擬和分析探討，得出多針頭場(chǎng)強(qiáng)分布的一般規(guī)律，明確“邊緣效應(yīng)”形成的理論機(jī)制。通過外加屏蔽措施對(duì)2個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)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(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)區(qū)域。受靜電屏蔽知識(shí)的啟發(fā)，本文采用屏蔽措施防止針頭外界靜電場(chǎng)的干擾，從而提高紡針尖端的場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行模擬[17]，并對(duì)其場(chǎng)強(qiáng)分布與大小用COMSOL軟件進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)分布與大小的3個(gè)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(jìn)行模擬分析。當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，其余模擬條件維持不變和常量，如表1所示。

表1 場(chǎng)強(qiáng)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響

為了直觀地觀察電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)模擬云圖，如圖2、圖3所示。

圖2中，紅色代表場(chǎng)強(qiáng)最高，橘色和黃色次之，深藍(lán)色或黑色代表場(chǎng)強(qiáng)最弱。由圖2可知，對(duì)于同一根針而言，針尖部位的場(chǎng)強(qiáng)相較于針根部位較強(qiáng)，針尖部位左右兩側(cè)場(chǎng)強(qiáng)比中間部位更強(qiáng)。本研究規(guī)定，所述的場(chǎng)強(qiáng)一般是指針尖兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值中較大的那側(cè)場(chǎng)強(qiáng)值或者二者的平均值，稱為場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度的顏色比無套管的紅色更濃，針頭間的場(chǎng)強(qiáng)也更均勻。模擬結(jié)果如表2所示。

圖2 單針頭場(chǎng)強(qiáng)分布云圖Fig.2 Nephogram of single-needle field intensity distribution

圖3 五針頭場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，又增加了電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(chǎng)干擾的研究結(jié)果相吻合。

1.2 套管厚度的增加對(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(shí)的五針頭場(chǎng)強(qiáng)分布情況，其場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(gè)的場(chǎng)強(qiáng)峰值及每個(gè)針頭的場(chǎng)強(qiáng)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(duì)紡針電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)峰值先增加再降低，在套管厚度增加為0.2 mm的時(shí)候，場(chǎng)強(qiáng)峰值最高，為1.8×106V/m；而場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)峰值勢(shì)必會(huì)越來越小，而場(chǎng)強(qiáng)分布會(huì)越來越均勻。也就是說，場(chǎng)強(qiáng)的均勻性改善是以損耗場(chǎng)強(qiáng)大小為代價(jià)的。

由表3還可得出，增加金屬套管后可引起場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)和分布，既可實(shí)現(xiàn)順利紡絲又可達(dá)到要求的紡絲射流分布均勻度。

1.3 套管與針的間隙對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響

根據(jù)郭玲玲[19]的研究，當(dāng)隔板與紡針間隙極小（近似無間隙）時(shí)，紡針的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而且隨著間隙的增大，電場(chǎng)強(qiáng)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(gè)間隙下的場(chǎng)強(qiáng)和電場(chǎng)的均勻性，如表4所示。

表4 套管與針的間隙對(duì)電場(chǎng)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)峰值的影響不大，但對(duì)均勻性有相應(yīng)的影響，間隙為0.02 mm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最均勻，CV值僅為1.1%。

1.4 套管高度對(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(gè)套管高度下的場(chǎng)強(qiáng)峰值得到的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 套管高度對(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)一致時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大，即套管高度為1.0 cm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)最大而且處于套筒高度的拐點(diǎn)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)大且均勻原則，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，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(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響

為了進(jìn)一步研究紡針場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有機(jī)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(jī)溶劑的特點(diǎn)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(shí)也要兼顧其對(duì)于紡絲電場(chǎng)強(qiáng)度的影響程度問題。通過COMSOL軟件模擬分別獲得單個(gè)紡針與復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針的電場(chǎng)模擬云圖，如圖6所示。

圖6 2種紡針場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度分布云圖紅色區(qū)域面積更大，電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度由原來的1.17×106V/m提高到了2.14×106V/m，電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(dá)到靜電平衡時(shí)，位于介質(zhì)內(nèi)部的針身上電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)急劇增大。

2.2 金屬套管對(duì)場(chǎng)強(qiáng)影響的擴(kuò)展

為了進(jìn)一步研究紡針場(chǎng)強(qiáng)的控制方法，將上述研究金屬套筒作為“屏蔽”元件套到7個(gè)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(chǎng)強(qiáng)分布云圖Fig.8 Nephogram of electric field distribution

將圖8結(jié)果與單個(gè)針頭加金屬套筒進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)在整個(gè)紡針外圍加金屬套筒既可以單方面從紡針上增加場(chǎng)強(qiáng)峰值，又可以從整體上改善電場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性，既可以節(jié)約能源，又可以達(dá)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比分布圖。

圖9 七針頭電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.9 Seven-needle electric field intensity distribution

由圖9可知，兩者具有相似的場(chǎng)強(qiáng)分布，兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度大于中間的電場(chǎng)強(qiáng)度，由于七針頭紡絲電極以4#紡絲單元對(duì)稱，因此電場(chǎng)分布具有對(duì)稱性。附加了金屬套管的電場(chǎng)強(qiáng)度比沒有任何輔助結(jié)構(gòu)的七針頭電場(chǎng)強(qiáng)度大。此外，附加金屬套管的場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)分布，更利于生產(chǎn)。另外，這與Yang等[20]在注射器外面加一個(gè)內(nèi)徑為2 mm的絕緣的PVC套筒來改變電場(chǎng)的作用力、延長(zhǎng)射流的穩(wěn)定過程進(jìn)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(jìn)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(duì)多針頭的場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行改善，并研究了施加金屬套管前后紡針場(chǎng)強(qiáng)的變化以及金屬套管參數(shù)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)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(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響：金屬套管的厚度、與紡針之間的間隙、高度對(duì)場(chǎng)強(qiáng)大小、均勻性有影響，附加了金屬套管厚度為0.2 mm時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)的CV值從原來的7.5%降到3.2%，可有效提高電場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻性，以及實(shí)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(chǎng)強(qiáng)峰值，增大靜電紡絲時(shí)的電場(chǎng)力，電場(chǎng)強(qiáng)度提高了82.9%，避免能源的浪費(fèi)，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(chǎng)強(qiáng)度大小和分布發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)紡針每一個(gè)紡針單元的電場(chǎng)強(qiáng)度均優(yōu)于傳統(tǒng)紡針各個(gè)紡針單元的電場(chǎng)強(qiáng)度，且比傳統(tǒng)紡針電極電場(chǎng)分布更加均勻，附加金屬套管的場(chǎng)強(qiáng)CV值3.23%小于沒有金屬套管的8.13%。