熔體靜電紡絲的電場(chǎng)分布及其對(duì)PET纖維成形的影響*

王宏，徐陽(yáng)，宋明玉

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122）

熔體靜電紡絲的電場(chǎng)分布及其對(duì)PET纖維成形的影響*

王宏，徐陽(yáng)，宋明玉

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122）

借助ANSYS軟件模擬聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）熔體靜電紡絲在不同參數(shù)（紡絲電壓、接收距離、接收板面積）條件下的電場(chǎng)分布，探討電場(chǎng)分布對(duì)熔體靜電紡絲PET射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌的影響。結(jié)果表明，在單噴嘴-平板結(jié)構(gòu)模型中，提高紡絲電壓將增強(qiáng)整體空間電場(chǎng)強(qiáng)度，使電場(chǎng)對(duì)PET熔體射流的控制力加強(qiáng)，PET熔體射流的擺動(dòng)半徑減小，當(dāng)紡絲電壓由24 kV升高到30 kV時(shí)，擺動(dòng)半徑由11.7 mm減至9.9 mm，而擺動(dòng)角增大，由10.1°增至11.2°，PET纖維直徑顯著減小，由3.275 μm減至2.202 μm；接收距離的改變對(duì)接收板表面電場(chǎng)的影響顯著，隨著接收距離的增加，PET射流的直線段比例明顯下降，當(dāng)接收距離由50 mm增加至90 mm 時(shí)，PET熔體射流的直線段比例由68.0%減至54.0%，PET纖維直徑在適中接收距離（70 mm）下表現(xiàn)較細(xì)，可達(dá)2.184 μm；接收板面積的減小加強(qiáng)了對(duì)PET熔體射流的控制，使PET熔體射流直線段比例顯著增加，當(dāng)接收板面積由15 cm×15 cm減小至10 cm×10 cm時(shí)，PET熔體射流直線段比例由68.0%增加至82.6%，擺動(dòng)半徑減小，由9.9 mm減至4.2 mm，沉積角因PET熔體射流貼服接收板而減小，由12.2°減至9.1°，PET纖維直徑稍有增加，由2.202 μm增加至2.537 μm。

熔體靜電紡絲；聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維；電場(chǎng)分布；射流運(yùn)動(dòng)；纖維形貌

靜電紡絲作為一種可連續(xù)制備微納米纖維的技術(shù)，具有可紡聚合物品種多、原料用量少、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)紡絲聚合物的狀態(tài)，靜電紡絲可分為溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲［1］。相比溶液靜電紡絲，熔體靜電紡絲因不使用溶劑，在過(guò)濾、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［2］。

然而，在熔體靜電紡絲過(guò)程中，較高的熔體黏度對(duì)其靜電紡絲裝置及加工提出了更高的要求［3］，同時(shí)使得纖維在加工過(guò)程中的射流直線段比例大，所紡纖維較粗［4］。因此，目前關(guān)于熔體靜電紡絲的研究主要集中于改進(jìn)靜電紡絲裝置與優(yōu)化工藝［5-6］、探討紡絲機(jī)理［7-8］、研究纖維膜結(jié)構(gòu)［9］以及嘗試潛在應(yīng)用［10］等。射流運(yùn)動(dòng)與纖維成形是熔體靜電紡絲工藝中聚合物熔體轉(zhuǎn)化為微納米纖維的重要過(guò)程之一，對(duì)所紡纖維、纖維膜的成形加工以及應(yīng)用有著重要影響。E. Zhmayev等［7］根據(jù)能量公式、高斯定律和Giesekus模型僅為穩(wěn)定段運(yùn)動(dòng)建立了模型并進(jìn)行了驗(yàn)證；鄧亮［11］通過(guò)即時(shí)觀測(cè)射流下落過(guò)程，較為系統(tǒng)地研究了熔體靜電紡絲中物料、溫度、電壓和紡絲距離對(duì)纖維成形以及帶電射流下落過(guò)程的影響，得到了聚丙烯熔體靜電紡絲中纖維成形下落的一般規(guī)律和保持穩(wěn)定射流的最優(yōu)紡絲條件。Liu Yong［8］利用耗散粒子動(dòng)力學(xué)（DPD）方法模擬了熔體靜電紡絲纖維的下落速度并研究了下落過(guò)程中纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化。T. D. Brown等［12］通過(guò)調(diào)節(jié)接收速度，發(fā)現(xiàn)纖維射流可呈直線運(yùn)動(dòng)。 Liu Zhaoxiang等［13］模擬分析了射流下落過(guò)程中分子鏈牽伸的“拔河效應(yīng)”。上述這些研究雖有一定成果，但仍不夠深入。電場(chǎng)作為靜電紡纖維成形的主要受力場(chǎng)［1-2］，探討電場(chǎng)大小及其分布對(duì)纖維成形的影響具有重要意義。因此，筆者以具有良好物理、力學(xué)性能的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）為原料［14］，采用有限元軟件ANSYS對(duì)熔體靜電紡絲的單噴嘴-平板結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，分析了主要工藝參數(shù)紡絲電壓、接收距離、接收板面積對(duì)電場(chǎng)分布的影響，同時(shí)通過(guò)對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了表征，借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維表面形貌，從而探討熔體靜電紡絲電場(chǎng)分布對(duì)PET纖維成形的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

PET切片：纖維級(jí)，熔點(diǎn)為245℃，江蘇儀征長(zhǎng)江化纖有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

真空干燥箱：DZG-6050D 型，上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

SEM：SU-1510 型，日本Hitachi 公司；

三維動(dòng)態(tài)分析顯微鏡：VW-6000型，日本Keyence公司；

熔體靜電紡絲裝置：熔體靜電紡絲裝置示意圖如圖1所示，自制。其紡絲過(guò)程為：將聚合物加入金屬料斗1中，經(jīng)加熱熔融后依靠自重和空氣壓縮機(jī)2的喂料氣壓的作用喂給噴嘴3，在與噴嘴3相連的高壓電源裝置4的作用下，聚合物熔體經(jīng)拉伸成絲并在已接地的正方形接收板5上沉積。

圖1　熔體靜電紡絲裝置示意圖

1.3電場(chǎng)模擬

鑒于所用熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置具有高度軸對(duì)稱性，采用ANSYS軟件對(duì)紡絲所處電場(chǎng)進(jìn)行二維平面模擬，建立有限元分析模型，如圖2所示，主要包括金屬噴嘴、鋁質(zhì)接收板和所處空氣環(huán)境；坐標(biāo)系原點(diǎn)O表示噴嘴正下方的接收板表面位置，X軸為接收板所在水平方向，Y軸為垂直于接收板的中心線方向。用X表示在水平方向距離纖維膜中心的距離，用Y表示接收板中心位置到噴頭的距離。模擬過(guò)程中，接收板接地，空氣電勢(shì)為0 kV，噴嘴電壓設(shè)為所需的紡絲電壓，接收板大小設(shè)為所需接收板面積，噴嘴與接收板間的垂直距離設(shè)為所需的紡絲距離。模擬過(guò)程的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置的ANSYS模型

表1　電場(chǎng)模擬紡絲參數(shù)設(shè)置

1.4PET纖維的制備

結(jié)合表1電場(chǎng)模擬所用紡絲條件參數(shù)，制備7種相應(yīng)參數(shù)條件下的PET纖維，其它固定參數(shù)為：噴嘴直徑為0.4 mm，熔體溫度為255℃，環(huán)境溫度為40℃，喂料氣壓為4 kPa，紡絲時(shí)間為10 min。

1.5性能測(cè)試與表征

（1） PET熔體的射流運(yùn)動(dòng)。

與溶液靜電紡絲的射流拉伸成纖過(guò)程相比，熔體靜電紡絲的射流拉伸成纖過(guò)程表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。為探討不同電場(chǎng)對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)的影響，實(shí)驗(yàn)中采用三維動(dòng)態(tài)分析顯微鏡觀察不同電場(chǎng)條件下的PET熔體射流運(yùn)動(dòng)情況，如圖3a所示，圖3b為PET熔體射流模型圖，由噴嘴至接收板的射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為直線段運(yùn)動(dòng)（AB段）和擺動(dòng)段運(yùn)動(dòng)（BC段）兩個(gè)過(guò)程，AB段為直線段運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，θ表示射流的擺動(dòng)角，考慮PET熔體射流擺動(dòng)沉積過(guò)程中的曲線運(yùn)動(dòng)，以β表示沉積角，R表示擺動(dòng)半徑。

圖3　PET熔體射流運(yùn)動(dòng)圖

（2） PET纖維形貌。

采用SEM觀察7種不同條件下制備的PET纖維形貌，并對(duì)每個(gè)試樣隨機(jī)選取50根纖維進(jìn)行纖維直徑統(tǒng)計(jì)。

2　結(jié)果與討論

2.1電場(chǎng)模擬分析

熔體靜電紡絲利用高壓電場(chǎng)對(duì)聚合物熔體進(jìn)行拉伸成絲，電場(chǎng)大小及其分布對(duì)紡絲纖維的成形有著重要影響，其中紡絲電壓施加方式及其大小、接收距離、接收板面積等是影響熔體靜電紡絲電場(chǎng)的主要參數(shù)。筆者結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置，探討紡絲電壓、接收距離、接收板面積三個(gè)參數(shù)對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響。

（1）紡絲電壓。

紡絲電壓是激發(fā)射流并在電場(chǎng)中牽伸射流的主要因素?；诒緦?shí)驗(yàn)熔體靜電紡絲裝置中紡絲噴嘴與平面接收板構(gòu)成點(diǎn)面式結(jié)構(gòu)，當(dāng)紡絲電壓施加于紡絲噴嘴時(shí)，在噴嘴尖端處的電荷集聚效應(yīng)下，激發(fā)聚合物熔滴形成射流。本模擬實(shí)驗(yàn)中紡絲電壓取24，27，30 kV，接收距離為50 mm，鋁質(zhì)正方形平板接收板的面積為15 cm×15 cm，紡絲電壓對(duì)空間電場(chǎng)分布影響的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　紡絲電壓對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響

由圖4可以看出，在點(diǎn)面式的噴嘴-平板熔體靜電紡絲裝置中，電場(chǎng)分布明顯不均勻，強(qiáng)電場(chǎng)主要集中于噴嘴附近，并在噴嘴尖端處達(dá)到最大值。當(dāng)紡絲電壓分別為24，27，30 kV時(shí)，其電子云分布基本保持一致。

圖5為不同紡絲電壓下紡絲線所在Y軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖5　不同紡絲電壓下紡絲線所在Y軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖5可以看出，當(dāng)0＜Y＜30 mm時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，幾乎為線性增長(zhǎng)，且電場(chǎng)強(qiáng)度不足4.0×105V/m；當(dāng)30 mm＜Y＜50 mm時(shí)，即接近噴嘴時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)型增長(zhǎng)，在噴嘴處約為2.5×106V/m，并隨著紡絲電壓的增加，在Y軸上所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度都得到增大。

圖6為不同紡絲電壓下接收板表面所在X軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖6　不同紡絲電壓下接收板表面所在X軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖6可以看出，由于紡絲裝置為點(diǎn)面式結(jié)構(gòu)，在噴嘴正對(duì)的接收板中心處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而距離接收板中心處越遠(yuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度越??；隨著紡絲電壓的增加，接收板表面所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度都全部增大。這說(shuō)明提高紡絲電壓將會(huì)增加所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，但紡絲電壓對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響不大。

（2）接收距離。

接收距離作為靜電紡絲的重要參數(shù)之一，在熔體靜電紡絲中決定著熔體射流的牽伸距離，影響著纖維的射流運(yùn)動(dòng)與冷卻時(shí)間。在熔體靜電紡絲中，接收距離一般較小。在本模擬實(shí)驗(yàn)中，接收距離分別取50，70，90 mm，在方形接收板上施加30 kV的紡絲電壓，正方形接收板的面積為15 cm×15 cm。接收距離對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響如圖7所示。

圖7　接收距離對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響

從圖7可以看出，從接收板到噴嘴的電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，在噴嘴處的增勢(shì)變大；當(dāng)接收距離較小時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域被拉長(zhǎng)變尖。

圖8為不同接收距離下紡絲線所在Y軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

由圖8可以看出，隨著接收距離的增加，在Y軸方向上，紡絲線上的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱，且最大電場(chǎng)強(qiáng)度也逐漸減弱。

圖9為不同接收距離下紡絲線所在X軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖9　不同接收距離下紡絲線所在X軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖9可以看出，在接收板表面，減小接收距離能夠顯著增強(qiáng)接收板中心位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，而接收板四周的電場(chǎng)強(qiáng)度卻變小，接收板表面中心與邊緣電場(chǎng)分布的差異被拉大。這說(shuō)明接收距離的改變對(duì)接收板附近的電場(chǎng)分布影響顯著。

（3）接收板面積。

在點(diǎn)面式結(jié)構(gòu)的熔體靜電紡裝置中，平面接收板的尺寸是不均勻電場(chǎng)的重要影響因素之一，對(duì)纖維的成形影響顯著。在本模擬實(shí)驗(yàn)中，正方形接收板面積分別取15 cm×15 cm，12.5 cm×12.5 cm，10 cm×10 cm，在接收板上施加30 kV的紡絲電壓，接收距離為50 mm。接收板面積對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響如圖10所示。

圖10　接收板面積對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響

由圖10可以看出，接收板的大小對(duì)不均勻電場(chǎng)分布有明顯的影響，當(dāng)接收板面積由15 cm×15 cm減小到12.5 cm×12.5 cm時(shí)，電場(chǎng)分布變化較小，強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度圍繞在噴嘴附近；而當(dāng)接收板面積減為10 cm×10 cm時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布區(qū)域由噴嘴向接收板急劇拉伸。

圖11為不同接收板面積下紡絲線所在Y軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖11　不同接收板面積下紡絲線所在Y軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖11可以看出，接收板面積的減小對(duì)射流所在Y軸上的電場(chǎng)大小影響較弱，當(dāng)35 mm＜Y＜50 mm時(shí)，隨著接收板面積的減小，電場(chǎng)強(qiáng)度略有減小；而當(dāng)0 mm＜Y＜35 mm時(shí)，隨著接收板面積的減小，電場(chǎng)強(qiáng)度卻略有增大。

圖12為不同接收距離下紡絲線所在X軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖12　不同接收板面積下紡絲線所在X軸上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖12可以看出，在接收板表面，隨著接收板面積的減小，接收板表面的電場(chǎng)強(qiáng)度都得到增強(qiáng)，而且接收板中心與邊緣的差異也變小。這說(shuō)明減小接收板面積，在改變電場(chǎng)強(qiáng)度大小的同時(shí)，可以改善噴嘴與接收板間及接收板表面電場(chǎng)分布的均勻性。

2.2空間電場(chǎng)分布對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌的影響

結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)條件工藝參數(shù)，制備了7種不同條件下的PET纖維。PET纖維的射流運(yùn)動(dòng)表征及平均直徑見(jiàn)表2。

表2　PET纖維的射流運(yùn)動(dòng)表征及平均直徑

（1）紡絲電壓。

紡絲電壓對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌的影響如圖13所示。

圖13　不同紡絲電壓下PET熔體的射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌SEM圖

由圖13和表2可以看出，隨著紡絲電壓的升高，PET熔體的射流直線段長(zhǎng)度逐漸增大，射流擺動(dòng)半徑逐漸減小，擺動(dòng)角逐漸增大，沉積角總體呈增大趨勢(shì)，而PET纖維的平均直徑顯著減小。當(dāng)紡絲電壓由24 kV升高到30 kV時(shí)，PET熔體的射流直線段長(zhǎng)度由33.0 mm增加至34.0 mm，即射流擺動(dòng)開(kāi)始點(diǎn)的位置依次下降，擺動(dòng)半徑由11.7 mm減至9.9 mm，擺動(dòng)角由10.1°增至11.2°，沉積角由9.2°增至12.2°，PET纖維平均直徑由3.275 μm減至2.202 μm，減小1.073 μm。由前述紡絲電壓對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響可知，隨著紡絲電壓的升高，在整個(gè)紡絲空間內(nèi)，所有點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均得到提高，即電場(chǎng)對(duì)PET熔體射流的控制力加強(qiáng)，使射流的直線段運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度逐漸增大，同時(shí)也使得PET熔體射流的擺動(dòng)幅度減弱，即擺動(dòng)半徑變??；因電場(chǎng)分布趨勢(shì)幾乎不變，致使射流沉積過(guò)程中的擺動(dòng)角和沉積角變化也較小。在紡絲過(guò)程中，紡絲電壓的提高也增加了噴嘴尖端的電荷數(shù)，即提高了噴嘴處熔體液滴所帶電荷的面密度，在一定的接收距離下，PET熔體射流得到足夠充分的牽伸并進(jìn)一步變細(xì)，雙重作用使得在紡絲電壓提高的情況下，PET纖維的平均直徑大幅度下降，如紡絲電壓由24 kV升高至27 kV時(shí)，PET纖維的平均直徑由3.275 μm減為2.229 μm；而電壓較高（30 kV）時(shí)，因?yàn)闋可炀嚯x受限，PET纖維的平均直徑減小幅度變小，由2.229 μm減為2.202 μm。

（2）接收距離。

接收距離對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌的影響如圖14所示。

圖14　不同接收距離下PET熔體的射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌SEM圖

由圖14和表2可以看出，當(dāng)接收距離由50 mm增加至70 mm 時(shí)，PET熔體的射流直線段長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng)，由34.0 mm增加至45.0 mm，射流擺動(dòng)長(zhǎng)度和半徑稍有變大；當(dāng)接收距離由70 mm增加至90 mm時(shí)，射流直線段長(zhǎng)度變化不大，由45.0 mm變?yōu)?9.0 mm，而沉積角度明顯變化，并且當(dāng)距離為90 mm時(shí)，射流末梢擺動(dòng)幅度減小，呈現(xiàn)自由下落趨勢(shì)。當(dāng)接收距離由50 mm增加至90 mm 時(shí)，PET纖維的直徑先減小后增大，在接收距離為70 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)。由前述接收距離對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響可知，在Y軸方向上，隨著接收距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度整體減弱，電場(chǎng)對(duì)射流的控制力下降，因而射流直線段長(zhǎng)度所占比例下降，PET纖維不穩(wěn)定擺動(dòng)現(xiàn)象增加；當(dāng)接收距離較大（90 mm）時(shí)，在接收板附近電場(chǎng)較弱，對(duì)射流運(yùn)動(dòng)影響很小，主要受重力作用，隨慣性自由下落至接收板，因而在射流擺動(dòng)沉積過(guò)程中，射流擺動(dòng)角度和沉積角都明顯增加，尤其是沉積角，說(shuō)明電場(chǎng)控制力下降。同時(shí)這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程直接反映了射流的牽伸效率，在接收距離較小（50 mm）時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度較大，尤其是在噴嘴附近，對(duì)射流的牽伸作用力較強(qiáng)，由于時(shí)間較短且距離有限，致使射流牽伸不夠充分，所紡纖維直徑為2.202 μm；隨著接收距離增加到70 mm，電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，牽伸力變?nèi)酰瑫r(shí)增加了牽伸距離，保證射流有足夠的時(shí)間得到拉伸，得到2.184 μm的PET纖維；隨著接收距離繼續(xù)增加到90 mm，電場(chǎng)強(qiáng)度變得微弱，對(duì)射流的牽伸作用力亦很小，纖維直徑表現(xiàn)得較粗，為2.422 μm，因此射流在70 mm的接收距離下所得纖維較細(xì)。

（3）接收板面積。

接收板面積對(duì)PET熔體射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌的影響如圖15所示。

圖15　不同接收板面積下PET熔體的射流運(yùn)動(dòng)與纖維形貌SEM圖

由圖15和表2可知，當(dāng)接收板面積由15 cm×15 cm減小至10 cm×10 cm時(shí)，PET熔體的射流運(yùn)動(dòng)直線段比例明顯增大，由68.0%增至82.6%，射流的擺動(dòng)半徑明顯減小，由9.9 mm減至4.2 mm，而射流沉積角因擺動(dòng)半徑的急劇下降而有所減小，由12.2°減至9.1°，纖維直徑由2.202 μm增加至2.537 μm。由前述接收板面積對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響可知，接收板面積的減小對(duì)射流所在Y軸上的電場(chǎng)大小影響較弱，增強(qiáng)了接收板附近的電場(chǎng)，同時(shí)縮小了接收板中心與邊緣電場(chǎng)的差異，即射流擺動(dòng)所在區(qū)域的電場(chǎng)隨接收板面積的減小而增強(qiáng)且均勻，因此電場(chǎng)對(duì)射流的直線段的控制力加強(qiáng)，直線段比例增加，擺動(dòng)角變化不大；而整個(gè)Y軸上，因直線段牽伸力差異較小，擺動(dòng)端牽伸距離也較小，因此隨著接收面積的減小，纖維直徑稍有增加。

3　結(jié)論

通過(guò)模擬熔體靜電紡絲主要工藝參數(shù)對(duì)空間電場(chǎng)分布的影響，探討了電場(chǎng)分布對(duì)熔體靜電紡絲PET熔體射流運(yùn)動(dòng)及形貌的影響，結(jié)論如下：

（1）提高紡絲電壓將會(huì)增加所有位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)空間電場(chǎng)分布趨勢(shì)的影響不大，電場(chǎng)對(duì)射流的控制力加強(qiáng)，射流的擺動(dòng)半徑減小，而擺動(dòng)角增大，纖維直徑明顯下降。

（2）接收距離的改變對(duì)接收板表面電場(chǎng)的影響顯著，隨著接收距離的增加，PET熔體射流的直線段比例明顯下降，由68.0%減小為54.0%，纖維射流末端受電場(chǎng)的控制力減小而慣性擺動(dòng)沉積，擺動(dòng)半徑與沉積角均明顯增大，纖維直徑在適中接收距離（70 mm）下表現(xiàn)較細(xì)，可達(dá)2.184 μm。

（3）接收板面積的減小加強(qiáng)了對(duì)PET熔體射流的控制，纖維射流的直線段比例顯著增加，擺動(dòng)半徑減小，沉積角因射流更加貼服于接收板表面而變小，纖維直徑在較強(qiáng)電場(chǎng)下因擺動(dòng)牽伸距離小而稍有增大。

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我國(guó)科學(xué)家制備出新型“人工肌肉”材料

復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭慧勝教授課題組成功制備出新型纖維狀人工肌肉材料。相關(guān)研究成果作為當(dāng)期的封面文章發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》上。

專家認(rèn)為，這種導(dǎo)電的人工肌肉材料對(duì)溶劑響應(yīng)具有很高的靈敏度和特異的選擇性，在工業(yè)生產(chǎn)和化學(xué)品儲(chǔ)存中，可以用來(lái)探測(cè)毒性溶劑的泄漏和預(yù)警。

科學(xué)界對(duì)人工肌肉材料的研究很早就開(kāi)始了，但傳統(tǒng)的溶劑敏感型人工肌肉多是基于功能性的高分子材料，其對(duì)溶劑的響應(yīng)速度較慢，運(yùn)動(dòng)形式也相對(duì)單一，多是簡(jiǎn)單的膨脹或彎曲，且不容易控制。

彭慧勝團(tuán)隊(duì)以具有高比表面積、優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能的取向碳納米管為基本單元，并對(duì)其進(jìn)行多級(jí)螺旋構(gòu)筑，在纖維內(nèi)部形成了大量的納米和微米尺度的管道結(jié)構(gòu)，這種多級(jí)管道結(jié)構(gòu)可以使溶劑高效快速地滲透到纖維內(nèi)部，并引起纖維的快速膨脹。當(dāng)具有多級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維與有機(jī)溶劑（如乙醇）及其蒸汽接觸，可產(chǎn)生優(yōu)異的扭轉(zhuǎn)和收縮運(yùn)動(dòng)，該類纖維狀人工肌肉還可以產(chǎn)生強(qiáng)勁的收縮響應(yīng)，其收縮強(qiáng)度是人類骨骼肌的10倍，并可以在幾十毫秒內(nèi)完成，比傳統(tǒng)的高分子基敏感材料快三個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至高于植物界響應(yīng)最快的植物——食蠅草的“捕食”速度。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為制備高性能的智能響應(yīng)材料和器件提供了一條新途徑，有著廣闊的應(yīng)用前景。

（工程塑料網(wǎng)）

新型γ-丁內(nèi)酯塑料可實(shí)現(xiàn)完全被回收利用

美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的研究人員們利用γ-丁內(nèi)酯（GBL）單體研發(fā)出一種新型聚合物聚GBL。這種聚合物只需在220～300℃的環(huán)境下加熱1 h，它就能變回單體GBL。這意味著這種新型塑料將會(huì)改變?nèi)藗兪褂盟芰系姆绞?，它能完全被回收利用，不含石油成分且能夠被生物體分解。

（中化新網(wǎng)）

Electric Field Distribution of Melt-Electrospinning and Its Influence on PET Fiber Formation

Wang Hong， Xu Yang， Song Mingyu
（Key Laboratory of Eco-Textiles Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Electric field distributions under different parameters conditions （spinning voltage，accepted distance and collector area） in melt-electrospinning process were simulated by ANSYS software，the effects of electric field distribution on poly（ethylene terephthalate） （PET） jet motion and fiber morphologies were investigated. The results show that in the single nozzle-plate structure model，when improving spinning voltage，the whole space electric field intensities becomes enhanced and their control on jet gets enlarged as well. When the spinning voltage increases from 24 kV to 30 kV，the PET melt jet whipping radius decreases from 11.7 mm to 9.9 mm，while whipping angle increases from 10.1° to 11.2°，and the PET fiber diameter decreases significantly from 3.275 μm to 2.202 μm. The changes of accepted distance apparently affectes the electric field on the collector surface，increasing accepted distance would decrease the PET melt jet straight segment proportion. When the accepted distance increases from 50 mm to 90 mm， the PET melt jet straight segment proportion decreases from 68.0% to 54.0%，and the fiber shows a small diameter （2.184 μm） with a moderate accepted distance （70 mm）. Decreasing the collector area could enhance control of the PET melt jet motion，increase the PET melt jet straight segment proportion. When collector area decreases from 15 cm×15 cm to 10 cm×10 cm，the PET melt jet straight segment proportion increases from 68.0 % to 82.6 %， and whipping radius decreases from 9.9 mm to 4.2 mm，depositing angle decreases from 12.2° to 9.1° with the jet closed to collector， while PET fiber diameter increases slightly from 2.202 μm to 2.537 μm.

melt-electrospinning；poly（ethylene terephthalate） fiber；electric field distribution；jet motion；fiber morphology

TQ340.64

A

1001-3539（2016）02-0061-07

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.02.012

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）資助項(xiàng)目（2012AA030313），江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性研究項(xiàng)目（BY2014023-06）

聯(lián)系人：徐陽(yáng)，副教授，博士，主要從事功能紡織品的研究

2015-11-12