圓環狀輔助電極對多針頭靜電紡絲系統的電場分布影響

李建軍　季驥　王麗秋

摘 要：為了考察圓環狀輔助電極對多針頭靜電紡絲裝置的電場分布影響，使用了Ansoft Maxwell軟件模擬分析了圓環狀輔助電極在不同半徑、外加電壓及粗細等因素對電場的影響并與無輔助電極時的情況相比較。結果表明：加入圓環狀輔助電極可以提高針頭表面的電場強度，使電場分布更加均勻，外加電壓、半徑及粗細都會影響電場的分布。當屏蔽環的外加電壓為18 kV，半徑為38 mm，型號為20#（0.457 mm）鐵絲時為最優條件。

關鍵詞：圓環狀輔助電極;靜電紡絲;多針頭;電場分布

中圖分類號：TQ343.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）03-0091-06

Effects of Circular Ring Auxiliary Electrode on Electric Field Distributionof Multi-Needle Electrospinning System

LI Jianjun， JI Ji， WANG Liqiu

（School of Environmental and Chemical Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China）

Abstract：In order to investigate the effects of auxiliary ring auxiliary electrode on electric field distribution of electrospinning device， Ansoft Maxwell software was used to simulate and analyze the effects of different radius， applied voltage and thickness of auxiliary ring auxiliary electrode on electric field， and the comparison was conducted with the condition of no auxiliary electrode. The results showed that the addition of auxiliary ring auxiliary electrode could improve electric field intensity of needle surface and make electric field distribution more uniform. The applied voltage， radius and thickness of the electrode would affect electric field distribution. The optimal conditions were as below： applied voltage of shielding ring 18 kV， radius 38 mm and the model of iron wire 20#（0.457 mm）.

Key words：auxiliary ring auxiliary electrode; electrospinning; multi-needle; electric field distribution

納米纖維具有高比表面積、直徑小（1～100 nm）等優點，在生物醫用材料、復合增強材料、過濾材料及傳感器等領域得到了廣泛的應用。靜電紡絲技術由于成本低廉、設備結構簡單、工藝流程短等優勢成為目前最有發展潛力的規模化納米纖維制備技術。

為了實現納米纖維的批量規模化制備，國內外學者對靜電紡絲裝置進行了設計改進，目前主要集中在多針（噴）頭裝置、非針（噴）頭裝置及輔助裝置的改進方面，例如采用旋轉輥筒電極[1]、螺旋線圈[2]、邊緣板[3]、環形珠鏈電極[4]、靜電梭[5]、帶狹縫的中空管[6]、多孔管電極[7-8]、多孔噴絲板電極[9]及旋轉環狀電極[10]等非針（噴）頭裝置，在輔助裝置改進方面，如利用磁場帶動聚合物紡絲液形成凸起而在電場下形成射流的雙層結構裝置[11];利用通入紡絲液的氣體形成氣泡在電場下拉伸的靜電紡絲技術[12-14];紡絲液在重力作用下滴落到旋轉輥筒電極上的濺射式靜電紡絲技術[15]等。由于非針頭靜電紡絲技術制得的纖維粗細不均率較高，產品質量控制困難，不適合生產皮芯型、并列型等特殊結構的多組分復合纖維，多針頭靜電紡絲技術仍需要進一步研究，而在多針系統中最困難的問題是相鄰射流存在靜電排斥力，導致電場分布不均勻，電場的不穩定變化會加速“鞭動”現象而很難實現納米纖維的定向收集。

早期的多針頭靜電紡絲技術的研究主要是在増加針頭數量及針頭排列方式上，例如Theron等[16]研究了1×9針頭和1×7針頭的線型排列和3×3排列的9針頭靜電紡絲過程;Tomaszewksi等[17]研究了26針頭線型排列、橢圓排列和10針頭圓形排列的多針頭系統;Angammana等[18]研究了2～4個線型排列多針頭的靜電紡絲裝置，都發現多針頭圓形排列時紡絲過程穩定性最好、纖維質量好且紡絲效率較高，而多針頭線型排列時紡絲效率最差;而且隨著針頭數量增加，針尖處的電場強度明顯減小，電場的干擾作用也逐步增強。為了改善多針頭之間電場的干擾作用，使電場分布均勻，研究者們開始研究不同形狀的輔助電極的靜電紡絲裝置，例如圓筒狀[19]、空心圓板式[20]、平板式[21]、移動針狀及圓柱狀電極[22]、針式輔助電極等[23-24]，并借助Ansoft Maxwell、Comsol、Ansys等有限元軟件進行電場模擬分析，發現加入輔助電極后使針尖的電場強度最大值降低，還可以抑制射流的鞭動不穩定性，纖維收集區域比無輔助電極時減小。Yang等[25]使用了等軸環狀輔助電極（以下簡稱屏蔽環），研究了六邊形排列的7～37個針頭系統，用Ansoft Maxwell有限元分析軟件確定了屏蔽環最佳尺寸，發現在7針頭系統中使用直徑7 cm的屏蔽環效果最佳，針尖處的電場也更加均勻。

雖然輔助電極的使用可以改善多射流之間的相互影響，但還不能完全消除電場的干擾，所以還需要對多針頭靜電紡絲過程中場強分布及場強大小做進一步研究，本文首先利用Ansoft Maxwell 3D軟件對6針頭圓形排列的靜電紡絲裝置進行仿真建模，研究屏蔽環參數對紡絲系統的靜電場的影響，然后以電解溶膠-凝膠過程制備的Al2O3-3Y-TZP溶膠進行靜電紡絲，來驗證模擬優化后的最佳條件，以期為規模化多針頭靜電紡絲裝置的設計和制造提供試驗基礎和理論依據。

1 Ansoft Maxwell建模

1.1 模型建立

使用了Ansoft Maxwell 3D軟件對6針頭電極裝置進行了數值模擬。建立如圖1所示模型，主要包括針頭、圓形接收板、屏蔽環三部分。其中針頭半徑1 mm，長80 mm;接收板半徑200 mm，厚度2 mm，接收距離200 mm;屏蔽圓環半徑25～55 mm。

1.2 材料屬性與外加條件

針頭材質為不銹鋼，屏蔽環材質采用市售鐵絲（規格10#～40#），接收板為鋁質，針頭施加電壓為10～30 kV，鋁質接收板電壓為零。

1.3 邊界條件

6個針頭呈半徑為10 mm圓形分布，與接收板垂直于Z軸，計算區域：-150 mm<X<150 mm;-150 mm<Y<150 mm;-150 mm<Z<250 mm，計算域內為真空，無窮遠處電壓為零。

1.4 求解條件

采用自適應方法劃分網格，求解參數：殘差1×10-6，誤差平均值0.001，計算步驟50。

1.5 Al2O3-3Y-TZP紡絲溶膠的制備及纖維的表征

將ZrOCl2·8H2O、AlCl3·6H2O和Y（NO3）3·6H2O（摩爾分數為2.5%的Y2O3/ZrO2，質量分數為5%的Al2O3/ZrO2）溶于蒸餾水中，加入蔗糖，在40 ℃恒溫條件下攪拌1 h，然后在電解池中加入適量的冰醋酸，在25 ℃恒溫電解，電解48～60 h后得到粘性溶膠。具體過程在文獻[26-27]中詳細敘述。靜電紡絲結束后取出接收板上的凝膠纖維，在70 ℃烘箱中干燥24 h，自然冷卻到室溫。用掃描電子顯微鏡（SEM，JXA-840，日本JEOL）來觀察纖維的形貌，加速電壓20 kV，纖維表面噴金來提高導電性能。

2 結果與討論

2.1 有、無屏蔽環的電場強度對比

在多針頭靜電紡絲過程中，由于不同位置的針頭場強大小及分布不等，不僅會導致針（噴）頭中的紡絲液直接滴落或針頭不工作等問題，而且會影響射流穩定，造成納米纖維的粗細不勻度增加。為了探討有無屏蔽環時多針頭的靜電場分布情況，在圖2中給出有無屏蔽環及不同外加電壓時各個針頭的電場強度，并統計分析了三組針頭場強值的標準偏差σ，可以看出，當沒有屏蔽環時針頭之間的電場相互影響嚴重，其中1#針頭的場強遠遠小于其他針頭，導致該組標準偏差σ較大，說明在施加同一電壓時，各個針頭表面的電場強度波動較大，這種情況不利于“Taylor”錐的形成，進而會降低紡絲效率影響纖維產量。加入屏蔽環后，標準偏差σ由1.33×105 V/m降低到2.52×104 V/m，說明各個針頭的 場強值變化幅度減小，電場穩定性提高，而且各個針頭的表面場強均值增加，說明屏蔽環在屏蔽外界電場干擾的同時可以使各針頭之間的電場更加均勻，與文獻[25]中的模擬結果類似。當給屏蔽環外加與針頭相同的20 kV電壓的時候，電場更加穩定，各個針頭的場強值波動更小，但是各針頭表面的電場強度平均值反而減小，其原因可能是屏蔽環的電場與各針頭表面電場的相互排斥作用導致。

為了進一步考察有無屏蔽環時電場分布情況，在圖3中給出了不同Z值時的沿X軸電場強度變化趨勢。如圖3（a）所示，當無屏蔽環或屏蔽環無施加電壓時，電場的變化趨勢基本都為雙峰分布，而峰值并非針頭表面的強度值，而是2、3和5、6號針頭中間位置的強度疊加，當給屏蔽環施加20 kV電壓后，屏蔽環外圍出現了強電場區域，出現兩個強峰，而屏蔽環內電場強度減低，隨著Z值增加，如圖3（b）中所示，兩個強峰的強度減弱，說明屏蔽環在遠離針頭時電場作用減弱，屏蔽環內場強也逐步接近于無屏蔽環時的電場強度。

2.2 屏蔽環外加電壓的影響

當給屏蔽環施加電壓時，針頭表面的電場強度會降低。為了考察施加不同電壓時的電場分布情況，在其他參數不變情況下，分析計算了電壓為10、15、20、25 kV及30 kV的各針頭的場強情況，從圖4（a）中可以看出，給屏蔽環外加不同電壓，計算域中同一位置的場強變化趨勢相似，在屏蔽環外圍出現強電場區域。在圖4（b）可以明顯看出屏蔽環產生的電場對針頭表面電場影響顯著，當外加電壓增大到30 kV時，6個針頭表面電場均值由1.7×106 V/m下降到2.71×105 V/m，衰減達84.1%。靜電紡絲過程中能夠形成纖維射流的條件之一是施加的外加電壓必須大于體系的臨界電壓Vc，而較低的電場強度值只能用提高電壓的方式來彌補，這將增加靜電紡絲過程的生產成本，不利于規模化生產。因此屏蔽環的施加電壓不易太大，以保障針頭表面有足夠的電場強度值。通過計算5組針頭表面場強的標準偏差σ發現，隨著電壓值的增大，σ值呈先減小后增大再減小的趨勢，因此本模型屏蔽環施加電壓的最佳范圍應為15～20 kV。圖5中給出了不同施加電壓時各針頭的場強均值和屏蔽環的表面場強變化，可以看出，當施加電壓為18 kV時，屏蔽環表面與針頭表面場強大小相同，此時電場分布最均勻，為屏蔽環的最佳施加電壓。

2.3 屏蔽環半徑的影響

為探究屏蔽環尺寸對電場分布的影響，分別建立了屏蔽環半徑R為25、35、45、55 mm的計算模型，施加電壓18 kV而其他參數不變。結果如圖6（a）所示，可以看出屏蔽環的半徑也影響電場的分布情況，在相同的外加電壓時，隨著屏蔽環半徑的增大，針頭表面的場強均值逐漸減小，計算后的標準偏差值σ出現不規律變化。但是從圖6（b）可以看出，隨著屏蔽環半徑的增加，屏蔽環的表面場強值反而逐漸增大。在靜電紡絲過程中，屏蔽環和針頭表面的電場值相近才能保持電場穩定，電場分布更加均勻，因此屏蔽環的最佳半徑應為圖中的兩曲線相交點R為38 mm處，此時針頭表面和屏蔽環表面的電場強度相等。

2.4 屏蔽環粗細的影響

為了研究屏蔽環粗細對電場分布的影響，分別計算了采用市售鐵絲型號分別為10#（1.625 mm）、20#（0.457 mm）、30#（0.157 mm）、40#（0.061 mm）的電場分布情況，施加電壓仍為最佳電壓18kV，其他參數不變。如圖7所示，屏蔽環的粗細也影響計算區域的電場分布，在施加相同的外加電壓情況下，隨著屏蔽環變細，各個針頭表面的場強值逐漸增加，應該盡可能選擇較細的屏蔽環，但是計算后的標準偏差值σ為先增大后變小的趨勢，其中20#鐵絲標準偏差σ最小，為了產生均勻分布的電場，屏蔽環應選擇20#鐵絲為最佳。

2.5 Al2O3-3Y-TZP凝膠纖維的表征

按上述最佳條件，將Al2O3-3Y-TZP溶膠在6針頭靜電紡絲裝置中進行靜電紡絲，結果如圖8所示，圖8（a）和圖8（b）分別為有無屏蔽環時制得的凝膠纖維在70 ℃空氣中干燥24 h后的SEM照片，可以看出，無屏蔽環時纖維取向雜亂，直徑分布較寬，纖維規整度較差，而有屏蔽環時凝膠纖維取向規整，直徑較為均勻，約為1～5 μm，說明使用屏蔽環后，均勻分布的電場可以抑制紡絲射流的鞭動不穩定性，使纖維質量提高。

3 結 論

a）在圓形排列的多針頭靜電紡絲系統中加入屏蔽環可以提高針頭表面的電場強度，使電場分布更加均勻，當給屏蔽環施加電壓時，各個針頭的場強波動減弱，電場更加穩定，但是針頭表面場強降低。

b）屏蔽環的外加電壓、半徑及粗細都影響電場的分布。在本文設計的多針頭靜電紡絲模型中，當屏蔽環的外加電壓為18 kV，半徑R=38 mm，型號為20#（0.457 mm）鐵絲時為最優條件。

c）加入屏蔽環的多針頭靜電紡絲裝置可以制備質量較好的Al2O3-3Y-TZP凝膠纖維，直徑在1～5 μm之間。

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