多针头静电纺丝过程中电场强度与分布的有限元分析

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1、多针头静电纺丝过程中电场强度与分布的有限元分析刘延波*陈威亚,天津工业大学纺织学院,近年来一直从事静电纺丝技术研发，包括新型静电纺丝方法开拓、规模化静电纺丝过程建模、仿真分析、静电场场强大小与分布均匀性的改善方法、以及用于各相关领域的静电纺纳米纤维产品开发。主要包括：①防治PM2.5?耐高温过滤材料开发②用于锂电池隔膜的静电纺纳米纤维材料开发③功能性纳米纤维膜开发④用于水处理的纳米纤维膜开发⑤用于血液过滤的生物相容性纳米纤维膜的开发等。摘要本文采用有限元软件对多针头静电纺丝过程中的场强分布进行了模拟研究，通过

2、对传统线性排布的多针头静电纺工艺进行改进来提高场强分布的均匀性。其中，改进方法包括给线性排布的纺针设置不同的纺针长度、利用塑料套管包裹纺针来降低射流之间的干扰、通过对每个纺针独立施加不同的电压来提高场强的均匀性以及改变纺针的排布方式等，模拟结果对于实际的多针头静电纺场强分布具有重大意义。引言随着纳米科技的不断发展，人类对自然界的认识逐渐深入、正在从宏观世界转入微观世界。现代科学技术的发展对材料性能提出越来越高的要求，21世纪是新材料特别是纳米材料迅速发展并广泛应用的时代，因此纳米材料已经成为推动当代科学技术进

3、步的重要支柱之一。作为纳米材料重要组成部分的纳米纤维的尺寸定义，从狭义上讲，纳米纤维是指直径在1-100nm范围内的纤维；广义上讲，1μm以下的纤维均可称作纳米纤维。一般的纳米纤维直径在几个纳米到几个微米之间，极细的纤维直径使得纳米纤维具有较大的比表面积，因此具有极高的吸附性能和表面活性；另一方面，由极细的纳米纤维构成的纤网、薄膜或非织造布又具有极小的孔隙尺寸和极高的孔隙率（低空气阻力），因此在表面吸附、过滤隔阻等方面具有广泛的应用潜力，已经在工业气体、液体过滤、生物医疗、能源电子、航空航天、战争防护、食品包

4、装、美容化妆、水处理、吸声防噪、建筑防护膜等领域得到了广泛的应用和研究。随着纳米纤维应用研究的不断发展，近年来涌现出了多种制备纳米纤维的方法，如静电纺丝法、闪蒸法、拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法等。目前，模板合成法、相分离法、自组装法只能用于实验室生产纳米纤维的研究，尚未达到工业化的应用阶段；静电纺丝法、拉伸法和闪蒸法均可实现规模化生产纳米纤维，但拉伸法只适合热塑性聚合物的熔体纺丝，而闪蒸纺只适合PE一种聚合物的纳米纤维膜生产，这两种方法工艺非常复杂，产品品种变换不灵活，且成本高价格贵，不利于新材料的

5、开发。因此，若综合考虑设备的复杂性、工艺的可控性、适纺范围、成本、产率以及纤维尺度可控性等方面的要求，前述的其它方法仍在某些方面具有一定的局限性，只有静电纺技术是一种能够直接、连续、规模化制备聚合物纳米纤维的方法。近几年来，随着纳米科技在全球的不断发展，纳米纤维在各个领域的应用使得生产纳米纤维的静电纺丝技术得到了世人瞩目。由于静电纺纳米纤维比常规方法制成的纳米纤维直径小、孔隙率高、比表面积大，因此可广泛的应用在表面吸附、过滤隔阻等各相关领域。与其他纳米纤维制备方法相比，静电纺丝技术是目前最直接也是最有效的方法

6、，且具有生产工艺简单、成本低廉等特点，但对于单针头的静电纺丝技术来说，所生产的纳米纤维产量很低。因此，为了提高静电纺的产量，逐渐发展出了多针头（喷嘴）静电纺和无针头静电纺。多针头（喷嘴）规模化静电纺丝技术的代表企业包括美国的DuPont,NanoStatics,eSpin,韩国的TopTech等公司，我国的江西先材和河南省三门峡特种膜公司，通力微纳以及永康乐业公司；无针头静电纺丝技术是捷克的Elmarco公司的纳米蜘蛛无针头静电纺丝技术，如无尖端的第1代转辊式无针头静电纺丝技术和最近开发出来的第2代金属丝式无

7、针头静电纺丝技术，以及长春吉纳公司的静电梭静电纺丝技术等等。虽然无针头静电纺丝技术发展很快，生产规模和产率高于针头式静电纺，且针头式静电纺仍然存在针头易堵、效率不高的缺点，但是所得纳米纤维较细且均匀，能生产多组分纳米纤维，喂液量和纤维细度可控，适合薄形纳米纤维非织造布的生产；无针头静电纺虽然产率高、速度快，不存在纺丝射流间的干扰，但是纤维偏粗且细度不匀率较高，喂液量和产品质量难以控制，只适合生产较厚纳米纤维薄膜产品。因此，多针头静电纺仍然具有存在和发展的价值，是目前实验室和厂商生产纳米纤维材料的主要手段。然而

8、，在多针头静电纺丝过程中，每个纺针喷出的射流之间会产生排斥作用，致使边缘纺针喷出的射流偏移中心线，出现“Endeffect（边缘效应）”；情况严重时形成的纳米纤维不能被接收装置接收，造成原料和成本的浪费，同时中间的针头不易形成纺丝射流，造成纺丝效率低下。因此，为了提高纺丝过程中场强的均匀性，需对传统线性排布的多针头静电纺工艺进行改进。Theron（Polymer，2005，46（9）：2889-28