線型自由液面靜電紡絲裝置設計

王翌輝，周海迎

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013）

0 引言

靜電紡絲技術作為一種成本較低、裝備簡單，生產效率較高的納米纖維制造技術被廣泛地運用在生物工程、新能源材料、食品科學等多個領域[1-5]。靜電紡絲技術的基本思想是，利用高壓靜電場激發聚合物的帶電射流，射流固化后得到聚合物的納米纖維。傳統的電紡絲技術采用的是中空金屬針，并以最小的吞吐量來制備納米纖維[6]。針法電紡絲技術存在的最大的問題是產量過低，單個噴絲頭的典型產量為0.1 g/h 纖維，針對產量過低這一問題，常采用增加針頭個數的方法，雖然能從一定程度上提高靜電紡絲的產量[7-8]，但噴絲頭[9]的尺寸過大，勢必會增加設備的體積。因此如何實現納米纖維的大規模生產成為靜電紡絲的重要趨勢之一[10-11]。例如Shao等[12]提出了一種改進的氣泡電紡絲（MBE）方法，以高產率制備高質量的聚丙烯腈納米纖維。Moon 等[13]開發了一種無注射器靜電紡絲技術，該技術采用螺旋探針旋轉圓筒制備納米纖維網。Yu 等[14]利用一種修飾過的自由液面電紡絲（MFSE），用一個邊緣光滑厚實的鈦溶液池，獲得了一種高通量制備CS/聚環氧乙（PEO）納米纖維的方法。因此本文研究逐漸由單針頭[15]、無針頭向自由液面靜電紡絲技術轉移，自由液面靜電紡絲的產量能達到10～20 g/h纖維。

1 線型自由液面靜電紡絲裝置設計

1.1 總體設計

由于單針靜電紡絲效率較低，為了提高靜電紡絲效率，批量化制備靜電紡絲納米纖維[16-17]，本文設計了一種線型自由液面靜電紡絲裝置，如圖1 所示，主要包括電極絲噴頭、裝有反應液的容器、裝有錫箔紙的收集板、齒輪傳動裝置、電機等。在這個過程中，4 根呈90°的電極絲電極安裝鋁片上如圖2 所示，鋁片安裝在一個旋轉的金屬軸上，兩個鋁片中間安裝了一個特氟龍的圓筒減少溶液揮發，金屬軸上安裝了一個齒輪，齒輪與一個由直流電機驅動的皮帶相連，可用調速器控制電動機，以實現變速控制。當電極絲隨著金屬周軸旋轉時，電極絲被拉出聚合物溶液浴。金屬軸與高壓電源（正極）連接，收集板與地連接。

圖1 線型自由液面靜電紡絲裝置總體機構Fig.1 General mechanism of rotary free surface electrospinning device

圖2 噴頭原理Fig.2 Schematic diagram of sprinkler head

當電極絲通過聚合物溶液浴時，溶液被夾在導線上，形成一層溶液薄膜覆蓋在導線上，如圖3 所示。作用在聚合物溶液上的重力、液面張力、黏度和慣性等力決定了吸附在電極絲上的溶液的量。由于瑞利-泰勒不穩定性，溶液膜在電極絲上分解成單個的帶電聚合物溶液滴。在足夠高的局部電場下，單個的液滴會變形并產生射流，從而形成一種自由液面的靜電紡絲。隨著電極絲的旋轉，靜電紡絲持續進行，直到聚合物溶液的供應耗盡。

圖3 電極絲噴頭上的溶液滴Fig.3 Droplets of solution on the electrode filament nozzle

1.2 運動裝置

運動裝置由電機、帶輪、齒輪組成，齒輪速比為1∶6（10 齒∶60 齒），齒輪皮帶長度為620 mm，分別連接到電機和金屬軸上的齒輪，通過電機帶動裝置進行旋轉運動。由于本次實驗轉速是一個變量，帶輪的旋轉速度應該是可調節的，因此本文選用直流電機，并連接上一個調速器，滿足齒輪轉動的需要，直流電機通過帶傳動帶動金屬軸上的齒輪轉動，收集納米纖維。

2 電場模擬分析

為了驗證線型自由液面靜電紡絲的可行性，本文采用多物理場有限元分析軟件COMSOL Multiphysics 對靜電場進行分析，確定由外加電勢所產生的電場。該分析只用到靜電物理場，由于施加的電壓較高，電場強度無法通過實驗測量，因此建立了該仿真模型來計算靜電紡絲過程中電極線周圍產生的電場。

2.1 組件幾何設計

在COMSOL Multiphysics5.5 中，建立靜電場穩態研究模型，為了減少仿真的計算量，在保證仿真精度的前提下，首先定義了一個半徑為0.6 m 的球體，然后將4 根電極絲和收集板構建于球體中心，收集板的尺寸為200 mm×300 mm×3 mm，電極絲的長度為300 mm，半徑為1 mm。紡絲距離300 mm，激勵電壓為+40 kV，如圖4所示。

圖4 自由液面靜電紡絲仿真模型Fig.4 Simulation model of free surface electrospinning

2.2 模擬結果

設定好模型的基本參數后，選擇球體，電極絲的材料為copper，接收板的材料為aluminum，其他設為air，介質參數選擇默認。電勢的設定中，接收板接地，電極絲施加正40 kV 的電壓，然后進行網格劃分，最后進行計算分析，得到y-z、x-z平面的電勢分布如圖5 所示。

圖5 四根電極絲仿真平面電勢分布Fig.5 Four copper wire simulation plane potential distribution

為了更好地比較4 根電極絲噴頭仿真效果，另外模擬了單根電極絲噴頭的電場仿真模擬圖，都是以電極絲為正極，接收板為負極，如圖6所示。由圖可知，4根電極絲噴頭周圍紅色區域分布范圍大，即電勢較高，并且電勢下降慢。隨著電極絲噴頭與收集板的距離逐漸增加，電勢逐漸下降，驗證該靜電紡絲裝置的可行性。通過模擬分析結果分析，4 根電極絲的靜電紡絲裝置相比傳統單電極絲自由液面紡絲裝置，電極絲附近的高電勢分布更為廣泛，電勢下降比較穩定，因此紡絲過程中纖維受力會更均勻，成絲更為容易，出絲量也更穩定，從理論上驗證了批量化制備納米纖維的可行性。

圖6 單電極絲仿真平面電勢分布Fig.6 A copper wire simulation plane potential distribution

3 實驗分析

為了進一步驗證設計的線型自由液面靜電紡絲裝置的實用性，優化紡絲設備的相關參數，本文選用PVDF/DMF 溶液作為紡絲溶液，搭建了小型靜電紡絲裝置進行靜電紡絲實驗，如圖7 所示。由于在靜電紡絲過程中，容器是開放的，隨著時間的推移會發生一些溶劑蒸發（溶液老化）。將靜電紡絲實驗時間限制在10 min 內，盡量減小溶液老化對結果的影響。在電紡絲實驗中溶液質量分數和電壓是主要的操作參數變量。所有實小型靜電紡絲裝置驗中收集板與發生裝置距離都為30 cm。

圖7 線型自由液面靜電紡絲裝置Fig.7 Linear free liquid surface electrospinning device

3.1 實驗過程

實驗所需藥品及儀器如下：8 wt%、10 wt%、12 wt%的PVDF 溶液50 mL （溶劑為DMF），進口直流高壓電源，電壓調控范圍為0～60 kV，可調直流穩壓電源為0～30 V，直流電機調速器同步輪速比為1∶6，轉速為1～8 r/min，實驗參數初步設定保持紡絲環境溫度為26 ℃，濕度為40%RH。在收集板上使用錫箔紙接收。

先由電機帶動齒輪做旋轉運動，鋁片和齒輪都固定在金屬軸上，齒輪帶動金屬軸和鋁片旋轉，使固定在鋁片上的電極絲做旋轉運動，每當經過溶液浴時，電極絲粘連上溶液，在高壓發生裝置的作用下，紡絲開始。通過建立的三水平三因素正交表，調節齒輪的轉動速度，電壓的大小以及溶液的濃度進行紡絲實驗。

3.2 結果分析

得到的PVDF 納米纖維SEM 的照片如圖8 所示（施加電壓40 kV，工作距離20 cm），由圖可知，線型自由液面靜電紡絲裝置紡出的PVDF 納米纖維的直徑分布較為均勻，但是仍然有許多串珠，并且纏繞較多，不夠均勻，直徑范圍為150～250 nm。8 wt%濃度下的納米纖維直徑在50～100 nm 范圍內的最多，且串珠最少，纖維量少。10 wt%濃度下的納米纖維直徑較細，在100～150 nm范圍內的最多，且分布較為均勻，串珠較少，12 wt%濃度下的納米纖維直徑直徑偏粗，直徑分布較廣。實驗可以得出隨著濃度的增加納米纖維的強度明顯提高，纖維直徑分布變寬。因此，在給定的電壓和工作距離下，當使用相對較高的溶液濃度，可以觀察到較高的生產率。

圖8 PVDF納米纖維SEM的照片Fig.8 SEM photos of PVDF nanofibers

4 結束語

本文設計了一種線型自由液面靜電紡絲裝置，運用SolidWorks 對線型自由液面靜電紡絲裝置進行了設計，該靜電紡絲系統可以在一次紡絲時間內噴射出大量的聚合物溶液液滴，從而產生納米纖維。因此，該紡紗工藝可應用于大規模生產。線型自由液面靜電紡絲裝置制備的納米纖維粒徑分布較低，表面質量中等，噴射時間為10 min。掃描電鏡圖像測得的直徑約為150～250 nm，10 wt%下噴射的納米纖維薄膜形態最好。該靜電紡絲技術可以提高產品的生產速度和生產面積。