雙錐面熔體微分靜電紡中電場(chǎng)分布的有限元分析

張艷萍， 張莉彥， 陳宏波， 楊衛(wèi)民， 譚 晶， 李好義

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100029)

雙錐面熔體微分靜電紡中電場(chǎng)分布的有限元分析

張艷萍， 張莉彥， 陳宏波， 楊衛(wèi)民， 譚 晶， 李好義

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100029)

為獲得最佳的熔體微分靜電紡絲結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)多層錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲中的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，分析了雙錐面特征設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)的影響，分別討論了內(nèi)圈直徑和內(nèi)圈伸出距離對(duì)內(nèi)外圈紡絲尖端及紡絲路徑場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果表明：增加錐面層數(shù)會(huì)減弱最外圈紡絲尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度；對(duì)于雙錐面熔體紡絲裝置，內(nèi)錐面直徑大小對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布的影響不明顯；當(dāng)內(nèi)錐面伸出距離增大時(shí)，內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)的差值先減小再增大；當(dāng)內(nèi)錐面直徑為26 mm，內(nèi)圈伸出距離為6 mm時(shí)，內(nèi)外圈紡絲尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布最相似，能夠保證內(nèi)外錐面制備的纖維射流間距相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果一致。

熔體微分靜電紡絲； 電場(chǎng)模擬； 雙錐面； 紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)

靜電紡絲技術(shù)是通過(guò)使帶有電荷的高分子熔體或溶液在高壓靜電場(chǎng)中噴射、拉伸、劈裂、固化或者溶劑揮發(fā)，最終形成纖維狀物質(zhì)的過(guò)程，是一種有效制備連續(xù)納米纖維的技術(shù)[1]。靜電紡絲可以分為溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲。由于熔體靜電紡絲不使用溶劑，是一種綠色制造技術(shù)，而且不存在溶劑揮發(fā)，生產(chǎn)效率高，因而是目前靜電紡絲研究重點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的單針噴頭靜電紡絲設(shè)備的生產(chǎn)效率極低，限制了靜電紡絲納米纖維產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，所以研究改進(jìn)無(wú)針多射流電紡技術(shù)是提高纖維生產(chǎn)效率的重要途徑[2]。肖桂花等[3]綜述了流體微分靜電紡絲噴頭設(shè)計(jì)的基本原理和研究進(jìn)展；Komarek 等[4]提出了一種狹縫式熔體無(wú)針靜電紡絲裝置，可以避免針頭堵塞，提高紡絲效率，但要滿足微流量均勻分布，流道設(shè)計(jì)比較復(fù)雜；Fang 等[5]將盤(pán)式溶液無(wú)針靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用到熔體靜電紡絲裝置上，制備出最細(xì)的一組樣品為(400±290)nm，但由于該裝置對(duì)熔體黏度要求十分苛刻，限制了其批量化穩(wěn)定可控生產(chǎn)；楊衛(wèi)民等[6]基于高分子先進(jìn)制造微積分思想，提出熔體微分靜電紡絲技術(shù)，并搭建了無(wú)針熔體靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化線。

在無(wú)針靜電紡絲過(guò)程中，作用于各射流的電場(chǎng)力是主要驅(qū)動(dòng)力，工作電場(chǎng)的強(qiáng)度大小及方向直接影響著泰勒錐及射流的分布及變形強(qiáng)度，并間接決定纖維的直徑分布，因此通過(guò)電場(chǎng)模擬分析工作電場(chǎng)來(lái)優(yōu)化無(wú)針電紡裝置可以有效獲得最佳紡絲裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)已發(fā)表的文獻(xiàn)[7-8]主要是對(duì)單針溶液電紡進(jìn)行電場(chǎng)模擬分析，通過(guò)改變輸入電壓、噴絲管直徑和長(zhǎng)度以及噴絲管與接收板的距離等設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)來(lái)獲得目標(biāo)纖維特征參數(shù)；文獻(xiàn)[9-10]主要研究了多射流靜電紡絲裝置電場(chǎng)分布的影響因素；也有一些學(xué)者對(duì)射流紡絲過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，賈琳[11]應(yīng)用POLYFLOW軟件模擬了在不同拉伸力條件下，電紡穩(wěn)定段射流的拉伸形態(tài)。

綜上所述，本文提出雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲裝置，增加錐面層數(shù)一方面可以有效提高紡絲效率，另一方面相比多噴頭裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)。通過(guò)模擬分析內(nèi)圈直徑和內(nèi)圈伸出距離對(duì)內(nèi)外圈紡絲尖端及紡絲路徑電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況的影響，得到最優(yōu)工作電場(chǎng)分布形態(tài)，為進(jìn)行雙錐面熔體靜電紡絲裝置的總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察紡絲效果。

1 雙錐面熔體微分靜電紡絲裝置

熔體微分靜電紡絲的原理是微流量熔體高溫熔融后在微分噴頭表面展薄形成周向分布的瀑布流，在高壓靜電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下，克服其自身以及自身和噴頭介質(zhì)之間的表面張力，自組織形成多個(gè)均布的泰勒錐。隨著電壓的增大，進(jìn)而形成多股帶電噴射流，熔體射流在噴射過(guò)程中由于熱量散失而固化，最終到達(dá)接收裝置形成超細(xì)纖維，直徑一般在數(shù)十納米到微米之間[12-13]。區(qū)別于傳統(tǒng)熔體靜電紡絲噴頭，本裝置采用雙錐面結(jié)構(gòu)，如圖1所示，內(nèi)外圈紡絲尖端在高壓靜電作用下同時(shí)形成多股噴射流，有效提高了紡絲效率。本文主要通過(guò)改變內(nèi)圈直徑和內(nèi)圈伸出距離來(lái)模擬分析模型的工作電場(chǎng)，以獲得最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 雙錐面熔體微分靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of double cone needleless melt differential electrospinning device

2 工作電場(chǎng)模擬

2.1 模型求解參數(shù)

本文采用ANSYS有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行模擬仿真，首先建立雙錐面噴頭的三維模型，用空氣包覆模型與噴頭模型進(jìn)行布爾減法運(yùn)算，得到求解模型，然后對(duì)模型定義材料、網(wǎng)格劃分及施加邊界條件后進(jìn)行求解運(yùn)算。圖2示出雙錐面熔體微分靜電紡絲裝置的幾何模型圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外圈錐面噴頭直徑52 mm，內(nèi)圈錐面噴頭直徑26～34 mm，內(nèi)圈伸出距離0～10 mm，噴頭長(zhǎng)度100 mm，接收板尺寸220 mm，接收板距噴頭錐面距離150 mm，模擬紡絲電壓50 kV。在熔體靜電紡絲中，為避免加熱電控系統(tǒng)和高壓靜電之間的干擾，一般采用噴頭電極接地，接收板電極接高壓正極的反紡接電方式。正紡與反紡的模擬結(jié)果相同，只是電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反，本文采用了反紡接電方式。

圖2 雙錐面熔體微分靜電紡絲裝置的幾何模型圖Fig.2 Simulation modeling of double cone needleless melt differential electrospinning device

2.2 模擬方法

雙錐面熔體靜電紡絲的過(guò)程中，周向均勻分布在紡絲尖端的泰勒錐在電場(chǎng)力作用下形成多股噴射流，經(jīng)過(guò)拉伸細(xì)化、冷卻固化最終落到接收板形成纖維。因此，為保證內(nèi)外圈纖維直徑分布均勻，其關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圈紡絲尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布相似。圖3示出模擬過(guò)程中提取的計(jì)算路徑圖，其中路徑1和路徑2分別為外圈與內(nèi)圈紡絲尖端“edge”路徑，分別研究了內(nèi)圈錐面直徑與內(nèi)圈伸出距離的改變對(duì)選取路徑的場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。對(duì)于熔體靜電紡絲，纖維細(xì)化只能靠靜電牽伸作用，分析纖維路徑上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程參數(shù)控制具有指導(dǎo)意義。因此提取了圖3中外圈纖維路徑3，參考實(shí)際紡絲效果，纖維落點(diǎn)選擇為到接收板時(shí)向外偏離1.5 cm。

圖3 模型路徑圖Fig.3 Images of selected path

3 結(jié)果分析與討論

3.1 錐面層數(shù)的影響

大多熔體紡絲噴頭為單層，紡絲效率較低，為提高纖維產(chǎn)量，一般采用增加噴頭數(shù)量的方法，但會(huì)使得裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加能耗和設(shè)備占地面積；為了提高單位紡絲模塊的紡絲效率，本裝置中則通過(guò)增加內(nèi)錐面層數(shù)來(lái)增加纖維產(chǎn)量，但要選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)使得每層錐面紡絲尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻。通過(guò)模擬對(duì)比單層、雙層和3層錐面熔體紡絲模型，發(fā)現(xiàn)增加錐面層數(shù)會(huì)減弱最外圈紡絲尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度，而且內(nèi)外層錐面紡絲尖端的場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，模擬數(shù)值結(jié)果如圖4所示。對(duì)于3層錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲裝置，其內(nèi)外圈紡絲尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與雙錐面裝置相似，繼續(xù)增加錐面層數(shù)對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布影響不明顯，因此采用雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲裝置建立有限元模型，來(lái)模擬裝置設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)內(nèi)外圈紡絲尖端及多射流路徑上場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。

圖4 多層錐面紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.4 Electric field intensity distribution of multilayer cone spinning edge

3.2 內(nèi)圈直徑對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)的影響

雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲裝置由于其內(nèi)外圈紡絲尖端可以同時(shí)形成噴射流，紡絲效率成倍增加，但內(nèi)錐面尺寸會(huì)影響內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布，如圖4所示，內(nèi)圈紡絲尖端周向場(chǎng)強(qiáng)小于外圈。為使得最終纖維直徑和形貌均勻，內(nèi)外圈紡絲尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布要盡可能相似?？紤]到噴頭加工的可行性和紡絲工藝過(guò)程，考察了雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡絲裝置，外圈直徑固定為52 mm，內(nèi)圈直徑分別為26、28、30、32、34 mm時(shí)，內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布情況。采用ANSYS電場(chǎng)模擬里面的“edge”方法提取出了內(nèi)外圈紡絲尖端，如圖3中的路徑1和路徑2，在上述5種內(nèi)圈直徑下的場(chǎng)強(qiáng)模擬數(shù)值，由于網(wǎng)格劃分誤差，紡絲尖端周向場(chǎng)強(qiáng)分布在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因此分別取內(nèi)外圈提取路徑上的場(chǎng)強(qiáng)平均值，外圈和內(nèi)圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)的平均值以及內(nèi)外圈場(chǎng)強(qiáng)的差值都基本不變，說(shuō)明內(nèi)圈直徑大小對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布影響不明顯，如圖5所示。

圖5 內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)大小變化趨勢(shì)圖Fig.5 Electric field changes of inner and outer cone spinning edge

3.3 內(nèi)圈伸出距離對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)的影響

電場(chǎng)強(qiáng)度的大小隨噴頭與接收板間距離的減小而增大，為使內(nèi)外圈紡絲尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布相似，可以將內(nèi)圈伸出適當(dāng)?shù)木嚯x。分別模擬了內(nèi)圈直徑為26 mm，內(nèi)圈伸出距離為0、2、4、6、8、10 mm時(shí)的紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布情況，其周向平均值變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖中可看出，隨著內(nèi)圈伸出距離的增大，內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)平均值差值越來(lái)越小，當(dāng)內(nèi)圈伸出距離為6 mm時(shí)，內(nèi)外圈紡絲尖端周向場(chǎng)強(qiáng)平均值基本相同。當(dāng)內(nèi)圈伸出距離繼續(xù)增大時(shí)，內(nèi)圈紡絲尖端周向場(chǎng)強(qiáng)平均值大于外圈，且內(nèi)外圈場(chǎng)強(qiáng)差值隨伸出距離的增加而增大。圖7為內(nèi)圈伸出距離6 mm時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖，可看出電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在噴頭尖端附近，而且內(nèi)外圈尖端場(chǎng)強(qiáng)分布相似。

圖6 內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)圖Fig.6 Electric field changes of inner and outer cone spinning edge

圖7 電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖Fig.7 Contour graph of electric field intensity distribution

3.4 多射流路徑上場(chǎng)強(qiáng)分布

取圖3中的外圈類(lèi)纖維路徑3計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，模擬結(jié)果如圖8所示。由圖可見(jiàn)射流路徑上的最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在紡絲尖端，而且在距離尖端的一小段距離內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)值急劇下降后趨于平緩，從圖7的電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖的顏色變化也可以看出電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。該結(jié)果與段宏偉[14]等模擬單針溶液靜電紡絲裝置的結(jié)果一致。

圖8 纖維路徑的場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.8 Electric field intensity distribution of path edge

3.5 雙錐面熔體微分靜電紡絲實(shí)驗(yàn)

在無(wú)針靜電紡絲過(guò)程中，射流間距是指兩相鄰泰勒錐尖端之間的距離，其大小直接影響單位紡絲模塊的纖維產(chǎn)量。Lukas等[15]通過(guò)理論分析給出了溶液無(wú)針靜電紡絲中射流間距的計(jì)算公式：

式中：λ為平均射流間距，mm；γ為溶液的表面張力，N/m；ε為空氣介電常數(shù)，F(xiàn)/m；E0為電場(chǎng)強(qiáng)度大小，V/m；ρ為溶液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。根據(jù)公式可知，平均射流間距λ隨著電場(chǎng)強(qiáng)度E0的增大而減小。李好義等[16]通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)證明該射流間距計(jì)算公式也同樣適用于無(wú)針熔體微分靜電紡絲，因此，通過(guò)測(cè)定紡絲實(shí)驗(yàn)中射流間距的大小可驗(yàn)證電場(chǎng)模擬結(jié)果。

根據(jù)模擬得出的最佳參數(shù)，設(shè)計(jì)了內(nèi)圈直徑為26mm的雙錐面無(wú)針熔體微分紡絲裝置，內(nèi)圈伸出距離可調(diào)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇為：紡絲距離150mm，電壓50kV，噴頭溫度240 ℃。實(shí)驗(yàn)原材料：上海伊士通新材料有限公司的聚丙烯(PP6520)粒料，熔體流動(dòng)指數(shù)(MFI)為2 000g/10min，相對(duì)分子質(zhì)量為50 000，密度為0.91g/cm3。

圖9示出內(nèi)圈伸出距離為6mm時(shí)的紡絲實(shí)驗(yàn)照片圖，使用相機(jī)(Cannon600D)在6倍焦距條件下拍攝，然后將獲得的照片進(jìn)行射流根數(shù)的平均計(jì)算獲取射流間距，射流間距的計(jì)算公式為λ=πD/n，其中D為微分噴頭的尖端直徑，n為通過(guò)計(jì)數(shù)拍得相片上的多射流根數(shù)獲得[15]。

圖9 紡絲實(shí)驗(yàn)照片圖Fig.9 Photos of melt differential electrospinning

經(jīng)測(cè)定，外圈纖維射流間距為2.63 mm，內(nèi)圈纖維射流間距為2.72 mm。內(nèi)外圈射流在紡絲尖端周向分布基本一致，表明內(nèi)外圈尖端電場(chǎng)分布均勻，與圖7的電場(chǎng)模擬結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

1)對(duì)于多層錐面無(wú)針熔體微分電紡裝置，增加錐面層數(shù)會(huì)減弱最外圈紡絲尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度，而且內(nèi)外層錐面紡絲尖端的場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻。

2)雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡裝置中，內(nèi)圈直徑大小對(duì)紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)分布的影響不明顯。

3)內(nèi)錐面直徑為26 mm的雙錐面無(wú)針熔體微分靜電紡裝置中，隨著內(nèi)圈伸出距離的增大，內(nèi)外圈紡絲尖端場(chǎng)強(qiáng)平均值的差值先減小后增大，當(dāng)內(nèi)圈伸出距離6 mm時(shí)，內(nèi)外圈紡絲尖端纖維射流間距相同，表明內(nèi)外圈紡絲尖端電場(chǎng)強(qiáng)度分布最相似。

FZXB

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Finite element analysis on electric field distribution in double cone melt differential electrospinning

ZHANG Yanping, ZHANG Liyan, CHEN Hongbo, YANG Weimin, TAN Jing, LI Haoyi

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

In order to obtain optimized structural parameters of melt differential electrospining, finite element analysis software (ANSYS) was employed to simulate and analyze the distribution of the electric field intensity in multiple cone needleless melt differential electrospinning. The influence of design parameters on the electric field intensity was analyzed. The effect of inner diameter and extend distance on the electric field intensity distribution of spinning edge and spinning path was discussed respectively. The results indicate that the electric field intensity of the spinning edge was weakened with the increasing cone number, and for double cone needle-free melt differential electrospinning, the influence of inner diameter size on electric field intensity distribution of spinning edge is not obvious. While the extend distance of inner cone increase gradually, the difference value of electric filed intensity between inner and outer cone is found to decrease firstly and then increase. In particular, the electric filed intensity distribution of inner and outer cone is the most similar and the jet spacing of inner and outer cone is almost identical when the inner cone diameter is 26 mm, and inner extend distance is 6 mm. The experimental results are consistent with the simulation results.

melt differential electrospinning; electric field simulation; double cone; electric field intensity of spinning edge

10.13475/j.fzxb.20160503306

2016-05-16

2017-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51603009)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0302002)

張艷萍(1992—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)槿芤喝垠w靜電紡絲工藝。李好義，通信作者，E-mail：15001276730@163.com。

TQ 340.14

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