王翌輝，周海迎

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

0 引言

靜電紡絲技術(shù)作為一種成本較低、裝備簡單，生產(chǎn)效率較高的納米纖維制造技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在生物工程、新能源材料、食品科學(xué)等多個領(lǐng)域[1-5]。靜電紡絲技術(shù)的基本思想是，利用高壓靜電場激發(fā)聚合物的帶電射流，射流固化后得到聚合物的納米纖維。傳統(tǒng)的電紡絲技術(shù)采用的是中空金屬針，并以最小的吞吐量來制備納米纖維[6]。針法電紡絲技術(shù)存在的最大的問題是產(chǎn)量過低，單個噴絲頭的典型產(chǎn)量為0.1 g/h 纖維，針對產(chǎn)量過低這一問題，常采用增加針頭個數(shù)的方法，雖然能從一定程度上提高靜電紡絲的產(chǎn)量[7-8]，但噴絲頭[9]的尺寸過大，勢必會增加設(shè)備的體積。因此如何實(shí)現(xiàn)納米纖維的大規(guī)模生產(chǎn)成為靜電紡絲的重要趨勢之一[10-11]。例如Shao等[12]提出了一種改進(jìn)的氣泡電紡絲（MBE）方法，以高產(chǎn)率制備高質(zhì)量的聚丙烯腈納米纖維。Moon 等[13]開發(fā)了一種無注射器靜電紡絲技術(shù)，該技術(shù)采用螺旋探針旋轉(zhuǎn)圓筒制備納米纖維網(wǎng)。Yu 等[14]利用一種修飾過的自由液面電紡絲（MFSE），用一個邊緣光滑厚實(shí)的鈦溶液池，獲得了一種高通量制備CS/聚環(huán)氧乙（PEO）納米纖維的方法。因此本文研究逐漸由單針頭[15]、無針頭向自由液面靜電紡絲技術(shù)轉(zhuǎn)移，自由液面靜電紡絲的產(chǎn)量能達(dá)到10～20 g/h纖維。

1 線型自由液面靜電紡絲裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

由于單針靜電紡絲效率較低，為了提高靜電紡絲效率，批量化制備靜電紡絲納米纖維[16-17]，本文設(shè)計(jì)了一種線型自由液面靜電紡絲裝置，如圖1 所示，主要包括電極絲噴頭、裝有反應(yīng)液的容器、裝有錫箔紙的收集板、齒輪傳動裝置、電機(jī)等。在這個過程中，4 根呈90°的電極絲電極安裝鋁片上如圖2 所示，鋁片安裝在一個旋轉(zhuǎn)的金屬軸上，兩個鋁片中間安裝了一個特氟龍的圓筒減少溶液揮發(fā)，金屬軸上安裝了一個齒輪，齒輪與一個由直流電機(jī)驅(qū)動的皮帶相連，可用調(diào)速器控制電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)變速控制。當(dāng)電極絲隨著金屬周軸旋轉(zhuǎn)時，電極絲被拉出聚合物溶液浴。金屬軸與高壓電源（正極）連接，收集板與地連接。

圖1 線型自由液面靜電紡絲裝置總體機(jī)構(gòu)Fig.1 General mechanism of rotary free surface electrospinning device

圖2 噴頭原理Fig.2 Schematic diagram of sprinkler head

當(dāng)電極絲通過聚合物溶液浴時，溶液被夾在導(dǎo)線上，形成一層溶液薄膜覆蓋在導(dǎo)線上，如圖3 所示。作用在聚合物溶液上的重力、液面張力、黏度和慣性等力決定了吸附在電極絲上的溶液的量。由于瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，溶液膜在電極絲上分解成單個的帶電聚合物溶液滴。在足夠高的局部電場下，單個的液滴會變形并產(chǎn)生射流，從而形成一種自由液面的靜電紡絲。隨著電極絲的旋轉(zhuǎn)，靜電紡絲持續(xù)進(jìn)行，直到聚合物溶液的供應(yīng)耗盡。

圖3 電極絲噴頭上的溶液滴Fig.3 Droplets of solution on the electrode filament nozzle

1.2 運(yùn)動裝置

運(yùn)動裝置由電機(jī)、帶輪、齒輪組成，齒輪速比為1∶6（10 齒∶60 齒），齒輪皮帶長度為620 mm，分別連接到電機(jī)和金屬軸上的齒輪，通過電機(jī)帶動裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于本次實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速是一個變量，帶輪的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的，因此本文選用直流電機(jī)，并連接上一個調(diào)速器，滿足齒輪轉(zhuǎn)動的需要，直流電機(jī)通過帶傳動帶動金屬軸上的齒輪轉(zhuǎn)動，收集納米纖維。

2 電場模擬分析

為了驗(yàn)證線型自由液面靜電紡絲的可行性，本文采用多物理場有限元分析軟件COMSOL Multiphysics 對靜電場進(jìn)行分析，確定由外加電勢所產(chǎn)生的電場。該分析只用到靜電物理場，由于施加的電壓較高，電場強(qiáng)度無法通過實(shí)驗(yàn)測量，因此建立了該仿真模型來計(jì)算靜電紡絲過程中電極線周圍產(chǎn)生的電場。

2.1 組件幾何設(shè)計(jì)

在COMSOL Multiphysics5.5 中，建立靜電場穩(wěn)態(tài)研究模型，為了減少仿真的計(jì)算量，在保證仿真精度的前提下，首先定義了一個半徑為0.6 m 的球體，然后將4 根電極絲和收集板構(gòu)建于球體中心，收集板的尺寸為200 mm×300 mm×3 mm，電極絲的長度為300 mm，半徑為1 mm。紡絲距離300 mm，激勵電壓為+40 kV，如圖4所示。

圖4 自由液面靜電紡絲仿真模型Fig.4 Simulation model of free surface electrospinning

2.2 模擬結(jié)果

設(shè)定好模型的基本參數(shù)后，選擇球體，電極絲的材料為copper，接收板的材料為aluminum，其他設(shè)為air，介質(zhì)參數(shù)選擇默認(rèn)。電勢的設(shè)定中，接收板接地，電極絲施加正40 kV 的電壓，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后進(jìn)行計(jì)算分析，得到y(tǒng)-z、x-z平面的電勢分布如圖5 所示。

圖5 四根電極絲仿真平面電勢分布Fig.5 Four copper wire simulation plane potential distribution

為了更好地比較4 根電極絲噴頭仿真效果，另外模擬了單根電極絲噴頭的電場仿真模擬圖，都是以電極絲為正極，接收板為負(fù)極，如圖6所示。由圖可知，4根電極絲噴頭周圍紅色區(qū)域分布范圍大，即電勢較高，并且電勢下降慢。隨著電極絲噴頭與收集板的距離逐漸增加，電勢逐漸下降，驗(yàn)證該靜電紡絲裝置的可行性。通過模擬分析結(jié)果分析，4 根電極絲的靜電紡絲裝置相比傳統(tǒng)單電極絲自由液面紡絲裝置，電極絲附近的高電勢分布更為廣泛，電勢下降比較穩(wěn)定，因此紡絲過程中纖維受力會更均勻，成絲更為容易，出絲量也更穩(wěn)定，從理論上驗(yàn)證了批量化制備納米纖維的可行性。

圖6 單電極絲仿真平面電勢分布Fig.6 A copper wire simulation plane potential distribution

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的線型自由液面靜電紡絲裝置的實(shí)用性，優(yōu)化紡絲設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，本文選用PVDF/DMF 溶液作為紡絲溶液，搭建了小型靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，如圖7 所示。由于在靜電紡絲過程中，容器是開放的，隨著時間的推移會發(fā)生一些溶劑蒸發(fā)（溶液老化）。將靜電紡絲實(shí)驗(yàn)時間限制在10 min 內(nèi)，盡量減小溶液老化對結(jié)果的影響。在電紡絲實(shí)驗(yàn)中溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電壓是主要的操作參數(shù)變量。所有實(shí)小型靜電紡絲裝置驗(yàn)中收集板與發(fā)生裝置距離都為30 cm。

圖7 線型自由液面靜電紡絲裝置Fig.7 Linear free liquid surface electrospinning device

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)所需藥品及儀器如下：8 wt%、10 wt%、12 wt%的PVDF 溶液50 mL （溶劑為DMF），進(jìn)口直流高壓電源，電壓調(diào)控范圍為0～60 kV，可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為0～30 V，直流電機(jī)調(diào)速器同步輪速比為1∶6，轉(zhuǎn)速為1～8 r/min，實(shí)驗(yàn)參數(shù)初步設(shè)定保持紡絲環(huán)境溫度為26 ℃，濕度為40%RH。在收集板上使用錫箔紙接收。

先由電機(jī)帶動齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，鋁片和齒輪都固定在金屬軸上，齒輪帶動金屬軸和鋁片旋轉(zhuǎn)，使固定在鋁片上的電極絲做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，每當(dāng)經(jīng)過溶液浴時，電極絲粘連上溶液，在高壓發(fā)生裝置的作用下，紡絲開始。通過建立的三水平三因素正交表，調(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動速度，電壓的大小以及溶液的濃度進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn)。

3.2 結(jié)果分析

得到的PVDF 納米纖維SEM 的照片如圖8 所示（施加電壓40 kV，工作距離20 cm），由圖可知，線型自由液面靜電紡絲裝置紡出的PVDF 納米纖維的直徑分布較為均勻，但是仍然有許多串珠，并且纏繞較多，不夠均勻，直徑范圍為150～250 nm。8 wt%濃度下的納米纖維直徑在50～100 nm 范圍內(nèi)的最多，且串珠最少，纖維量少。10 wt%濃度下的納米纖維直徑較細(xì)，在100～150 nm范圍內(nèi)的最多，且分布較為均勻，串珠較少，12 wt%濃度下的納米纖維直徑直徑偏粗，直徑分布較廣。實(shí)驗(yàn)可以得出隨著濃度的增加納米纖維的強(qiáng)度明顯提高，纖維直徑分布變寬。因此，在給定的電壓和工作距離下，當(dāng)使用相對較高的溶液濃度，可以觀察到較高的生產(chǎn)率。

圖8 PVDF納米纖維SEM的照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of PVDF nanofibers

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種線型自由液面靜電紡絲裝置，運(yùn)用SolidWorks 對線型自由液面靜電紡絲裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該靜電紡絲系統(tǒng)可以在一次紡絲時間內(nèi)噴射出大量的聚合物溶液液滴，從而產(chǎn)生納米纖維。因此，該紡紗工藝可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。線型自由液面靜電紡絲裝置制備的納米纖維粒徑分布較低，表面質(zhì)量中等，噴射時間為10 min。掃描電鏡圖像測得的直徑約為150～250 nm，10 wt%下噴射的納米纖維薄膜形態(tài)最好。該靜電紡絲技術(shù)可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)速度和生產(chǎn)面積。