熔體靜電紡絲中電極結(jié)構(gòu)對電場和纖維的影響

劉兆香，李好義，鐘祥烽，丁玉梅，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

熔體靜電紡絲是靜電紡絲中的一種，是高效制備納米纖維的重要方法之一。該方法不同于溶液靜電紡絲，不需要溶劑，工作過程中沒有溶劑的揮發(fā)，因此被認(rèn)為是一種更安全、更經(jīng)濟，可進一步替代溶液靜電紡絲的方法。熔體靜電紡絲過程為熔體經(jīng)過加熱熔融后，聚合物熔體具有一定的流動性，流到噴嘴處，在電場力和重力的作用下，帶電荷的聚合物熔體不斷流動、鞭動、下落，最后成纖落到接收板上［1－3］。可見電場力是熔體靜電紡絲的主要驅(qū)動力，因此在工作裝置中電場的分布和作用大小的合理控制直接影響紡絲過程和成纖質(zhì)量，電場的作用十分顯著。段宏偉等［4］建立了電場分析紡絲ANSYS模型，得出電場成軸向?qū)ΨQ分布；謝勝等［5］采用 Maxwell軟件模擬了單針頭紡絲裝置中的電場強度分布，結(jié)合實驗發(fā)現(xiàn)電場分布影響靜電紡絲的纖維直徑。Michal等［6］建立了二維和三維模型，研究了電極對電場的影響，發(fā)現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)、尺寸對電場都有很大的影響。目前，溶液靜電紡絲有了一定的研究成果，而熔體靜電紡絲的研究還較少，技術(shù)還不成熟，大部分裝置都是自行研制，電場分布不明確，紡絲過程不穩(wěn)定，而電場控制也是工藝過程的重要部分，因此對其進行模擬和實驗相結(jié)合的研究和分析是十分必要的。

實驗室自行研制了內(nèi)錐面熔體靜電紡絲裝置，該裝置采用自由表面的內(nèi)錐面噴頭，提高了纖維根數(shù)，增大了紡絲產(chǎn)量。本文以該裝置為研究對象，采用有限元模擬方法對裝置進行合理簡化，以期獲得電場分布情況，并進行理論分析。不同電極結(jié)構(gòu)對纖維可能有一定的影響，因此設(shè)置了不同電極結(jié)構(gòu)的電極板，并進行對比分析。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯（PP），PP6820，溶體流動速率2000g／10min，上海伊士通新材料發(fā)展有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熔體靜電紡絲裝置，裝置原理圖如圖1所示，自制；

圖1 熔體靜電紡絲裝置原理圖Fig.1 Schematic of melt electrospinning device

掃描電子顯微鏡，SEM Hitachi S4700，日本Hitachi公司。

1.3 實驗方法

采用熔體靜電紡絲的方法制備纖維，并由氣流輔助射流下落，采用掃描電子顯微鏡觀察纖維并拍照，采用圖像處理軟件Image J測量纖維直徑，并計算其平均直徑。實驗過程中進行跟蹤拍照，觀察紡絲現(xiàn)象。同時，設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的紡絲電極板：圓板電極和圓環(huán)電極，觀察紡絲效果，如圖2所示。

圖2 不同電極板的紡絲過程Fig.2 Electrospinning process of different electrodes

2 模擬部分

2.1 模型參數(shù)

本研究根據(jù)有限元原理，分析自制裝置的電場分布情況，采用Ansys軟件模擬本實驗裝置，對其單元類型、材料介電常數(shù)和裝置簡化模型參數(shù)等進行選擇和設(shè)定，如表1所示。

2.2 有限元模型

Ansys分析需要對裝置進行簡化，本研究對裝置作了進一步簡化，建立了二維熔體靜電紡絲電場分析模型如圖3所示，該簡化模型主要包括紡絲噴頭、電極板、空氣介質(zhì)。在模型中，由于纖維較細(xì)、較輕，而且本研究著重考慮噴頭和不同電極板之間的電場情況，因此忽略帶電荷纖維對電場的影響，也忽略各種控制元件如物料輸送裝置、支架平臺、加熱裝置等部分對電場分布的影響。

表1 模擬邊界條件和模型參數(shù)Tab.1 Boundary conditions and model parameters of simulations

3 結(jié)果與討論

3.1 電極板不同對纖維的影響

圖3 熔體靜電紡絲簡化模型Fig.3 Simplified model of melt electrospinning

電極板分別采用圓板電極和圓環(huán)電極，設(shè)定電壓同時為35kV。得出對比的纖維SEM圖如圖4所示。可以看出，當(dāng)電極板為圓環(huán)電極時纖維較細(xì)而且更規(guī)則有序，這可能是因為當(dāng)電極板為圓環(huán)電極時，由于接收距離較小，射流到達電極板時還未完全固化，射流穿過圓環(huán)在圓環(huán)下部受到一定的電場力，對射流還有一定的拉伸作用；而為圓板電極時，射流未固化就迅速無規(guī)則地堆落在電極板上，所得纖維雜亂無章。由此分析可以得知，電極板為圓環(huán)電極時較好，可進一步細(xì)化纖維。但是，實驗中還發(fā)現(xiàn)纖維穿過圓孔的過程會有掛料情況，這是因為在靠近電極板時由于電場力的作用，纖維會被拉到電極板上，而圓環(huán)電極中間為圓孔，沒有足夠的電場拉力，所以這也是以后研究中要解決的問題。

圖4 不同電極板制備纖維的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM for the fibers by using different electrodes

3.2 電場分布模擬結(jié)果分析

采用Ansys軟件中的電場分析模塊，對簡化模型施加電壓，進行模擬計算，從后處理中獲得電場的等電勢輪廓圖（圖5）和場強矢量圖（圖6），其中顏色表示大小，箭頭表示電場方向。

圖5 不同電極板節(jié)點電勢等值線云圖Fig.5 Potential isoline images of different electrodes

圖6 不同電極板的場強矢量分布圖Fig.6 Vector distribution of electric field for different electrodes

從圖5和圖6可知，電場成橫向軸對稱分布，這是因為模型是對稱機構(gòu)，所以在解決橫向問題時可以只取其中一半進行研究，而在本研究中我們著重考慮豎直方向電場的分布和場強的變化，從而研究電場力大小對于纖維拉伸細(xì)化的作用。從圖6看，最大場強在噴頭邊緣處，即泰勒錐形成的位置，該處相對為尖端，其中圓板電極的最大場強值為1.32×106V／m，圓環(huán)電極的為1.28×106V／m，可見圓板電極的最大場強較大，這是因為圓板電極的面積較大，而圓環(huán)電極中空部分削弱了電場。為進一步研究纖維下落過程中的拉伸變化，對豎直方向的場強進行了統(tǒng)計，得到場強隨豎直接收距離的變化曲線圖，如圖7所示，其中場強的正負(fù)表示方向，場強為正表示場強方向向上，由于纖維帶負(fù)電荷，因此電場力向下，對射流沿下落方向不斷拉伸，反之，則電場力不具拉伸作用。

圖7 電場沿豎直距離的變化Fig.7 Change of electric field strength with vertical distance

從圖7可以看出，隨著接收距離的增大，場強逐漸減弱，最終趨向于零，這與段宏偉等［4］所得場強在靠近接收板（電極板）急劇下降的結(jié)果不同，這也克服了電場急劇變化對纖維形成造成的不穩(wěn)定性，保證了電場的持續(xù)性。另外，從兩條變化曲線對比看到，當(dāng)在接收距離較小時，即靠近噴頭一段距離范圍內(nèi)，圓板電極的場強比圓環(huán)電極的場強大，纖維的拉伸力大，纖維更細(xì)，這與實驗結(jié)果相吻合；但是，在靠近電極板時，圓環(huán)電極的場強比圓板電極的場強大，而且在接收距離為70mm時，圓板電極的場強已經(jīng)降為零，并且圓板下面電場方向的改變已對紡絲無利，而圓環(huán)電極場強還較大，對纖維還有很大的拉伸作用，這解釋了實驗中圓環(huán)電極時制得的纖維均勻、較細(xì)，也驗證了對其的推測分析。可見當(dāng)為圓環(huán)電極時，場強變化比較緩慢穩(wěn)定，對纖維的拉伸作用也較穩(wěn)定持續(xù)，所得纖維規(guī)則、均勻、較細(xì)；另外，靠近噴頭一段距離范圍內(nèi)，圓環(huán)電極的場相對小，對纖維的拉伸力小，所以采用圓環(huán)電極獲得的纖維更細(xì)，有很大的優(yōu)勢。

3.3 不同電壓對圓環(huán)電極纖維直徑的影響

結(jié)合以上實驗和模擬的對照分析，本實驗采用圓環(huán)電極，進一步研究電壓對纖維直徑的影響。設(shè)置接收距離為70mm，即紡絲噴頭到電極板之間的距離，與模擬參數(shù)設(shè)定的電極間距保持一致。紡絲溫度分別設(shè)定為加料口200℃、中間段220℃、噴嘴210℃，環(huán)境溫度為19℃，供料裝置電機轉(zhuǎn)速20r／min，設(shè)置電極板上的電壓為28、35、42、49、56kV，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察樣品，SEM照片如圖8所示，采用Image J軟件進行測量并計算纖維的平均直徑，繪制曲線如圖9所示。

圖8 不同電壓紡的纖維SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM of fibers at different voltage

圖9 電壓對纖維直徑的影響Fig.9 Effect of voltage on diameter of fibers

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，熔體靜電紡絲法紡制的纖維光滑、均勻、較細(xì)，纖維直徑分布范圍為1～4μm，較本實驗室以往所獲得直徑10μm左右的纖維細(xì)很多。而隨著電壓的升高，纖維直徑變化較大，可見不同電壓對其纖維直徑的影響較大，如圖9所示，隨著電壓的增加，其纖維直徑先降低再升高，當(dāng)電壓為49kV時纖維直徑最小。這可能是因為隨著電壓的增加，由噴頭到電極板之間的電場增強，射流受到的電場力不斷增大，纖維被不斷拉伸細(xì)化；而當(dāng)電壓增大到一定值時，電場有擊穿現(xiàn)象，電場分布不穩(wěn)定，纖維沒有被很好的拉伸。本研究的最佳電壓約為49kV，可見合理的電壓才會具有較穩(wěn)定的電場分布，才能獲得更細(xì)的纖維。

4 結(jié)論

（1）場強在紡絲噴頭處最大，隨接收距離的增加而不斷減小；

（2）圓環(huán)電極場強變化穩(wěn)定持續(xù)，紡制的纖維均勻、有序，而且更細(xì)，但是在靠近噴嘴的一段范圍內(nèi)拉伸力比圓板電極小，電場拉力小；

（3）對于圓環(huán)電極，電壓越大，場強越大，纖維會更細(xì)但是電壓過大會出現(xiàn)擊穿，最佳紡絲電壓為49kV。

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