基于UG NX的多噴頭靜電紡絲裝置設計與仿真分析*

谷潤潤，苗鵬杰，吳業北，張金霞，喬禎祥，李守柱

（新疆理工學院，新疆阿克蘇 843000）

0 引言

21 世紀以來，納米技術在眾多領域的成功應用推動其快速發展。納米纖維主要是指在三維尺度上有兩維的尺寸處于納米范圍內的線狀的材料[1]。近年來發展了許多制備納米纖維的方法，如拉伸法、模板合成法、自組裝法和靜電紡絲等，而靜電紡絲是一種成本較低、裝備簡單、生產效率較高的能夠直接、連續高效制備聚合物納米纖維的方法。

靜電紡絲技術所制備的納米纖維可以廣泛應用于各個領域，如生物醫療、環境保護、微電子制造、新能源材料、食品科學等［2］。然而傳統的靜電紡絲裝置為單噴頭，生產效率較低，單噴頭靜電紡絲機的生產率只能達到（0.1～1）g∕h，且單噴頭容易堵塞，從而影響自動化生產，人工疏通導致生產成本過高，進而影響其產業化和規模化。針對這一問題，相關研究者提出了多噴頭靜電紡絲技術和無噴頭靜電紡絲技術，這也是目前提高產量和推進工業化應用最普遍的方法。因此本文旨在提高納米纖維的產量和解決噴頭堵塞問題，研究與設計一種新型的、操作簡便且性能穩定的靜電紡絲裝置，根據靜電紡絲基本原理，對堵塞的噴頭通過疏通裝置進行運動仿真分析，解決靜電紡絲噴頭堵塞的難題，驗證裝置的基本性能及可行性，有利于進一步提高在靜電紡絲噴頭連續供液能力，該噴頭疏通裝置為靜電紡絲設備的研發和優化改進提供理論依據與技術支持[3]。

1 總體結構及工作原理

傳統的靜電紡絲裝置一般采用單噴頭進行紡絲，效率較低，為了批量化制備納米纖維，提高靜電紡絲的效率，本文設計一種新型多噴頭靜電紡絲裝置，主要由供液裝置、疏通裝置、噴頭裝置、收集裝置、輔助裝置等部分組成。輔助裝置又包括高壓電源、照明及箱體[4]。其中，儲液罐固定于箱體上方，靜電紡絲原料從儲液室中通過輸液軟管輸送到噴頭里面。將可紡溶液置于供液裝置中，噴頭上外加了高電壓，使液滴表面帶同種電荷，溶液在噴嘴處形成液滴后會在電場力的作用下產生電荷的移動，最終液滴在靜電力與內應力的共同作用下形成“泰勒錐”［5］，最終納米纖維沉積在接收板上。當噴頭堵塞時，疏通針支架通過氣缸驅動疏通針支架，帶動疏通針下降，清除堵塞的噴頭中殘留凝固物，能夠實現快速地疏通和清潔噴頭；接收裝置可以通過電機帶動凸輪分割器使接收板可以繞中心軸旋轉運動，實現接收板可以沿著直線滑軌進行前后運動，靜電紡絲結束完成后，靜電紡絲接收裝置可以沿軌道取出納米纖維，這樣對于接收板更換與檢修更加方便，提高了工作效率。新型多噴頭靜電紡絲裝置總體結構如圖1所示。

圖1 多噴頭靜電紡絲裝置總體結構示意圖

2 靜電紡絲制備納米纖維的影響因素

2.1 紡絲液性質

紡絲液性質影響因素主要包括紡絲液黏度、導電性、表面張力，紡絲液一般由聚合物和溶解聚合物的溶劑組成[6]。紡絲液黏度越大，聚合物分子鏈越易纏結，射流越不穩定，紡絲難度較大，不易制得直徑分布均勻的納米纖維。但是黏度小無法形成射流，只能形成微滴，因此配制適宜黏度的紡絲液是靜電紡絲的關鍵第一步；在靜電紡絲過程中，選擇導電性高的溶劑是最簡單直接的方法。紡絲液的導電性提高，溶液表面的電荷密度相應增加，射流時受到更大的電場力，利于制備直徑較小的納米纖維。靜電紡絲過程中，當靜電斥力大于溶液的表面張力時紡絲液才會形成射流，紡絲液的表面張力不僅影響泰勒錐的形成，而且還影響射流在高壓場中的運動及分裂，對纖維的形貌有決定性作用[7]。

2.2 操作條件

操作條件影響因素主要包括電壓、接收距離、紡絲液噴射速度，電壓直接決定紡絲液能否形成射流，保證靜電紡絲的順利進行；射流裝置和接收器之間的距離和紡絲液的噴射速度影響著納米纖維的直徑和形貌，因此這3 方面對紡絲效果有影響，靜電紡絲操作條件的控制和優化也至關重要[8]。

2.3 紡絲環境

紡絲環境影響因素主要包括紡絲溫度和紡絲濕度。紡絲溫度對靜電紡絲有一定的影響，升高溫度有利于溶劑的揮發，使射流在電場中快速固化，使納米纖維直徑增大。紡絲溫度變化還會直接影響紡絲液的黏度、表面張力及導電性。紡絲溫度升高，紡絲液的黏度和表面張力均減小，導電率提高，加快射流分子鏈的運動速度，在電場力的作用下射流不穩定性增強，容易形成珠結；濕度對靜電紡絲的影響主要表現在濕度會改變溶劑的揮發性，濕度升高會降低溶劑的揮發速率，因此可以通過調節環境濕度對紡絲所得的納米纖維形貌進行調控[9]。

3 關鍵部件設計

3.1 噴頭裝置設計

在紡絲過程中噴頭的數量是決定紡絲產量的直接因素，噴頭的排列方式則影響著收集裝置上電紡纖維的分布區域。噴頭需要有良好的導電效果，對于多針噴頭則需要使每個噴頭處的電壓趨于一致，結構的設計也要盡可能避免電荷干擾和嚴重的電場屏蔽現象[10]。根據設備實驗艙的內部尺寸大小，噴頭安裝箱長度為1 200 mm，噴頭到接收板距離為200 mm。另外，為了使所紡的納米纖維膜整體上較為均勻，噴頭的數量設置成偶數。噴頭數量的增加可以提高納米纖維產量，但是噴頭數量過高則會使電場強度普遍降低。通過綜合考慮，設計兩排靜電紡絲設備的紡絲噴頭共計26個，噴絲頭內徑1.5 mm[11]。

3.2 疏通裝置設計

靜電紡絲疏通裝置主要包括疏通針支架、疏通針和升降裝置。疏通針支架為中空結構，疏通針支架尺寸為1 000 mm×300 mm，疏通針最小直徑為1 mm，數量與噴頭安裝箱上的布置相同。升降裝置采用的是氣缸升降，氣缸的型號為SE63X100FB，兩組氣缸同時帶動疏通針進行Z軸的直線運動。氣缸的動力源由空氣壓縮機為氣缸進行供氣工作。疏通針固定于疏通針支架上，疏通針固定的位置及排列方式與噴頭插口在噴頭安裝箱上的布置相同，升降裝置采用的是氣缸固定于空腔的內部，疏通針支架與空腔的水平截面形狀及大小相同。疏通針的長度大于噴頭的長度，當升降裝置降到最低點時，疏通針的下端伸出噴頭的下端。當噴頭堵塞時，疏通針支架通過氣缸驅動疏通針支架，帶動疏通針下降，疏通堵塞的噴頭。疏通針支架的四周安裝有密封圈，避免了紡絲材料干擾升降裝置的工作，影響升降裝置的使用壽命[12]。

3.3 收集裝置設計

根據當前納米纖維靜電紡絲收集裝置的分類，一般傳統收集有平板收集、滾筒收集和傳送帶收集方式。根據本文設計的靜電紡絲設備的實際需求，采用平板收集方式進行收集納米纖維。其收集裝置最下面為直線滑軌，主要用來保證運行的直線度，可以使上面所連接的結構沿著直線滑軌進行前后運動。底板的下表面設置有與導軌相配合的凹槽，直線導軌的型號為IAS23-H42-L1000。靜電紡絲結束后，接收裝置可以沿軌道移動，方便物料取出及更換。設計轉接板的尺寸為1 100 mm×300 mm×20 mm，接收板的尺寸為1 100 mm×300 mm×70 mm，接收板的一面朝向噴頭安裝箱，與噴頭安裝箱的下表面平行。接收板上表面有接收基布，另一面的圓心有旋轉組件，主要由電機、凸輪分割器、轉接板、接收裝置組成，凸輪分割器的型號為140DT，配套電動額定功率750 W，電機驅動分割器可以實現繞中心旋轉運動[13]。

3.4 輔助裝置設計

靜電紡絲裝置整體尺寸大小在1 500 mm×1 300 mm×1 800 mm 范圍內，其箱體外殼的作用是將所有的零部件組裝到一起，并為各個機構提供良好的工作環境。箱體外殼的結構主要分為頂蓋、靜電紡絲實驗艙、上下側面板、合頁、上蓋、操作窗口門等。

本文采用圓柱形儲液罐進行供液，尺寸為?300 mm×400 mm，并且通過輸液管與儲液罐相連接，可以實現連續供應紡絲液；由于納米纖維靜電紡絲設備的箱體為密閉型的，為了能夠更好地對設備的工作環境進行觀察，在實驗艙里設置了LED 照明燈，并設置了觀察窗口。

靜電紡絲實驗環境的溫濕度是影響靜電紡絲實驗的重要的環境因素，所以對設備的實驗艙的溫濕度環境進行實時檢測是很必要的。溫濕度的檢測可以確保該設備所有的靜電紡絲實驗和生產都是在合理的溫濕度環境下進行，如果經過檢測發現當下的實驗環境不利于進行靜電紡絲，就可以及時停止，當實驗艙中的溫濕度較為適宜時再進行納米纖維的實驗和生產[14]。溫濕度傳感器的型號選用AM2301，高壓電源電壓為20 kV。

4 靜電紡絲裝置運動仿真分析

利用UG 軟件進行幾何數模設計，在裝配模塊中將各個零部件裝配起來，得到整體結構，進行干涉檢査與分析，生成干涉信息報告，通過適當修改，直至沒有任何干涉為止。進行預先運動仿真，保證零部件正常工作，進一步保證結構的強度，同時應盡可能考慮輕量化，節約材料成本[15]。

在UG 里運用Motion 插件進行靜電紡絲疏通裝置簡單的運動仿真分析，其設置參數如下[16]：一個滑動副J0002，函數公式為STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130），主要用于滑軌上組件的反復移動，接收裝置最下面安裝直線滑軌，接收板可以沿著直線滑軌進行前后運動，方面物料取出；一個旋轉副J0003，函數公式為STEP（x，0，0，30，360），主要用于整個臺面的旋轉，通過電機帶動凸輪分割器使接收板可以實現繞中心旋轉的運動；一個滑動副J0004，函數公式為STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130） ，主要用于氣缸帶動組件的升降，可以實現氣缸推動疏通支架通過疏通針上下疏通堵塞噴頭的殘留凝固物。

5 結束語

本文以靜電紡絲技術制備納米纖維為背景，結合靜電紡絲工藝要求，研究與設計一種新型靜電紡絲噴頭疏通裝置，旨在解決靜電紡絲工藝過程中出現的噴頭堵塞的問題，提供一個穩定的噴頭疏通裝置，保證能夠疏通噴頭，并且能夠獲得靜電紡絲技術制備納米纖維的沉積形貌和質量。經過三維建模與運動仿真表明，設計的新型靜電紡絲噴頭疏通裝置能夠較好地疏通噴頭殘留凝固物并且具有較高的穩定性，能夠達到一定的優化與改進效果，但后續可以通過物理樣機進行臺架試驗，進一步驗證理論設計，分析疏通噴頭的效果，優化結構參數與工作參數，為靜電紡絲裝置的研發提供理論依據與技術支持，具有重要的學術意義、實用價值和廣泛的應用前景。