熔体静电纺丝中电极结构对电场和纤维的影响

刘兆香，李好义，钟祥烽，丁玉梅，杨卫民

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

0 前言

熔体静电纺丝是静电纺丝中的一种，是高效制备纳米纤维的重要方法之一。该方法不同于溶液静电纺丝，不需要溶剂，工作过程中没有溶剂的挥发，因此被认为是一种更安全、更经济，可进一步替代溶液静电纺丝的方法。熔体静电纺丝过程为熔体经过加热熔融后，聚合物熔体具有一定的流动性，流到喷嘴处，在电场力和重力的作用下，带电荷的聚合物熔体不断流动、鞭动、下落，最后成纤落到接收板上［1－3］。可见电场力是熔体静电纺丝的主要驱动力，因此在工作装置中电场的分布和作用大小的合理控制直接影响纺丝过程和成纤质量，电场的作用十分显著。段宏伟等［4］建立了电场分析纺丝ANSYS模型，得出电场成轴向对称分布；谢胜等［5］采用 Maxwell软件模拟了单针头纺丝装置中的电场强度分布，结合实验发现电场分布影响静电纺丝的纤维直径。Michal等［6］建立了二维和三维模型，研究了电极对电场的影响，发现电极结构、尺寸对电场都有很大的影响。目前，溶液静电纺丝有了一定的研究成果，而熔体静电纺丝的研究还较少，技术还不成熟，大部分装置都是自行研制，电场分布不明确，纺丝过程不稳定，而电场控制也是工艺过程的重要部分，因此对其进行模拟和实验相结合的研究和分析是十分必要的。

实验室自行研制了内锥面熔体静电纺丝装置，该装置采用自由表面的内锥面喷头，提高了纤维根数，增大了纺丝产量。本文以该装置为研究对象，采用有限元模拟方法对装置进行合理简化，以期获得电场分布情况，并进行理论分析。不同电极结构对纤维可能有一定的影响，因此设置了不同电极结构的电极板，并进行对比分析。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯（PP），PP6820，溶体流动速率2000g／10min，上海伊士通新材料发展有限公司。

1.2 主要设备及仪器

熔体静电纺丝装置，装置原理图如图1所示，自制；

图1 熔体静电纺丝装置原理图Fig.1 Schematic of melt electrospinning device

扫描电子显微镜，SEM Hitachi S4700，日本Hitachi公司。

1.3 实验方法

采用熔体静电纺丝的方法制备纤维，并由气流辅助射流下落，采用扫描电子显微镜观察纤维并拍照，采用图像处理软件Image J测量纤维直径，并计算其平均直径。实验过程中进行跟踪拍照，观察纺丝现象。同时，设置不同结构的纺丝电极板：圆板电极和圆环电极，观察纺丝效果，如图2所示。

图2 不同电极板的纺丝过程Fig.2 Electrospinning process of different electrodes

2 模拟部分

2.1 模型参数

本研究根据有限元原理，分析自制装置的电场分布情况，采用Ansys软件模拟本实验装置，对其单元类型、材料介电常数和装置简化模型参数等进行选择和设定，如表1所示。

2.2 有限元模型

Ansys分析需要对装置进行简化，本研究对装置作了进一步简化，建立了二维熔体静电纺丝电场分析模型如图3所示，该简化模型主要包括纺丝喷头、电极板、空气介质。在模型中，由于纤维较细、较轻，而且本研究着重考虑喷头和不同电极板之间的电场情况，因此忽略带电荷纤维对电场的影响，也忽略各种控制元件如物料输送装置、支架平台、加热装置等部分对电场分布的影响。

表1 模拟边界条件和模型参数Tab.1 Boundary conditions and model parameters of simulations

3 结果与讨论

3.1 电极板不同对纤维的影响

图3 熔体静电纺丝简化模型Fig.3 Simplified model of melt electrospinning

电极板分别采用圆板电极和圆环电极，设定电压同时为35kV。得出对比的纤维SEM图如图4所示。可以看出，当电极板为圆环电极时纤维较细而且更规则有序，这可能是因为当电极板为圆环电极时，由于接收距离较小，射流到达电极板时还未完全固化，射流穿过圆环在圆环下部受到一定的电场力，对射流还有一定的拉伸作用；而为圆板电极时，射流未固化就迅速无规则地堆落在电极板上，所得纤维杂乱无章。由此分析可以得知，电极板为圆环电极时较好，可进一步细化纤维。但是，实验中还发现纤维穿过圆孔的过程会有挂料情况，这是因为在靠近电极板时由于电场力的作用，纤维会被拉到电极板上，而圆环电极中间为圆孔，没有足够的电场拉力，所以这也是以后研究中要解决的问题。

图4 不同电极板制备纤维的SEM照片Fig.4 SEM for the fibers by using different electrodes

3.2 电场分布模拟结果分析

采用Ansys软件中的电场分析模块，对简化模型施加电压，进行模拟计算，从后处理中获得电场的等电势轮廓图（图5）和场强矢量图（图6），其中颜色表示大小，箭头表示电场方向。

图5 不同电极板节点电势等值线云图Fig.5 Potential isoline images of different electrodes

图6 不同电极板的场强矢量分布图Fig.6 Vector distribution of electric field for different electrodes

从图5和图6可知，电场成横向轴对称分布，这是因为模型是对称机构，所以在解决横向问题时可以只取其中一半进行研究，而在本研究中我们着重考虑竖直方向电场的分布和场强的变化，从而研究电场力大小对于纤维拉伸细化的作用。从图6看，最大场强在喷头边缘处，即泰勒锥形成的位置，该处相对为尖端，其中圆板电极的最大场强值为1.32×106V／m，圆环电极的为1.28×106V／m，可见圆板电极的最大场强较大，这是因为圆板电极的面积较大，而圆环电极中空部分削弱了电场。为进一步研究纤维下落过程中的拉伸变化，对竖直方向的场强进行了统计，得到场强随竖直接收距离的变化曲线图，如图7所示，其中场强的正负表示方向，场强为正表示场强方向向上，由于纤维带负电荷，因此电场力向下，对射流沿下落方向不断拉伸，反之，则电场力不具拉伸作用。

图7 电场沿竖直距离的变化Fig.7 Change of electric field strength with vertical distance

从图7可以看出，随着接收距离的增大，场强逐渐减弱，最终趋向于零，这与段宏伟等［4］所得场强在靠近接收板（电极板）急剧下降的结果不同，这也克服了电场急剧变化对纤维形成造成的不稳定性，保证了电场的持续性。另外，从两条变化曲线对比看到，当在接收距离较小时，即靠近喷头一段距离范围内，圆板电极的场强比圆环电极的场强大，纤维的拉伸力大，纤维更细，这与实验结果相吻合；但是，在靠近电极板时，圆环电极的场强比圆板电极的场强大，而且在接收距离为70mm时，圆板电极的场强已经降为零，并且圆板下面电场方向的改变已对纺丝无利，而圆环电极场强还较大，对纤维还有很大的拉伸作用，这解释了实验中圆环电极时制得的纤维均匀、较细，也验证了对其的推测分析。可见当为圆环电极时，场强变化比较缓慢稳定，对纤维的拉伸作用也较稳定持续，所得纤维规则、均匀、较细；另外，靠近喷头一段距离范围内，圆环电极的场相对小，对纤维的拉伸力小，所以采用圆环电极获得的纤维更细，有很大的优势。

3.3 不同电压对圆环电极纤维直径的影响

结合以上实验和模拟的对照分析，本实验采用圆环电极，进一步研究电压对纤维直径的影响。设置接收距离为70mm，即纺丝喷头到电极板之间的距离，与模拟参数设定的电极间距保持一致。纺丝温度分别设定为加料口200℃、中间段220℃、喷嘴210℃，环境温度为19℃，供料装置电机转速20r／min，设置电极板上的电压为28、35、42、49、56kV，经扫描电子显微镜观察样品，SEM照片如图8所示，采用Image J软件进行测量并计算纤维的平均直径，绘制曲线如图9所示。

图8 不同电压纺的纤维SEM照片Fig.8 SEM of fibers at different voltage

图9 电压对纤维直径的影响Fig.9 Effect of voltage on diameter of fibers

由图9可以发现，熔体静电纺丝法纺制的纤维光滑、均匀、较细，纤维直径分布范围为1～4μm，较本实验室以往所获得直径10μm左右的纤维细很多。而随着电压的升高，纤维直径变化较大，可见不同电压对其纤维直径的影响较大，如图9所示，随着电压的增加，其纤维直径先降低再升高，当电压为49kV时纤维直径最小。这可能是因为随着电压的增加，由喷头到电极板之间的电场增强，射流受到的电场力不断增大，纤维被不断拉伸细化；而当电压增大到一定值时，电场有击穿现象，电场分布不稳定，纤维没有被很好的拉伸。本研究的最佳电压约为49kV，可见合理的电压才会具有较稳定的电场分布，才能获得更细的纤维。

4 结论

（1）场强在纺丝喷头处最大，随接收距离的增加而不断减小；

（2）圆环电极场强变化稳定持续，纺制的纤维均匀、有序，而且更细，但是在靠近喷嘴的一段范围内拉伸力比圆板电极小，电场拉力小；

（3）对于圆环电极，电压越大，场强越大，纤维会更细但是电压过大会出现击穿，最佳纺丝电压为49kV。

［1］刘 娜，杨建忠.静电纺纳米纤维的研究及应用进展［J］.合成纤维工业，2006，29（3）：46-49.Liu Na，YangJianzhong.Progress in Research and Application of Electrospun Nanofibers［J］.China Synthetic Fiber Industry，2006，29（3）：46-49.

［2］刘兆香，刘 勇，王 欣，等.静电纺丝过程中泰勒锥、射流鞭动和电晕现象分析［J］.塑料，2012，41（3）：29-34.Liu Zhaoxiang，Liu Yong，Wang Xin，et al.Phenomena Analysis of Taylor Cone，Jet Whipping and Corona in Process of Electrospinning［J］.Plastics，2012，41（3）：29-34.

［3］Smit E，Butt Ner U，Sande Anderson R D.Continuous Yarns from Electrospun Fibers［J］.Polymer，2005，46（8）：2419-2423.

［4］段宏伟，毕淑娟，王延福，等.高压静电纺丝机工作电场FEM分析［J］.哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2009，25（4）：461-463.Duan Hongwei，Bi Shujuan，Wang Yanfu，et al.FEM Analysis on Working Electrostatic Field of High-voltage Electrospinning Machine［J］.Journal of Harbin University of Commerce：Natural Sciences Edition，2009，25（4）：461-463.

［5］谢 胜，曾泳春.电场分布对静电纺丝纤维直径的影响［J］.东华大学学报：自然科学版，2011，37（6）：677-682.Xie Sheng，Zeng Yongchun.Effect of Electric Field Distribution on Fiber Diameter in Electrospinning［J］.Journal of Donghua University：Natural Sciences，2011，37（6）：677-682.

［6］Michal Komarek，Lenka Martinova，Design and Evaluation of Melt-electrospinning Electrodes ［J］.Nanocon，2010，（10）：12-14.