多针头静电纺丝电场分布改善及仿真分析

郭文利　任晓龙　陈江义

摘要：传统的多针纺丝喷头由于各针头间电场存在强烈的相互干扰作用，往往会造成电场分布不均匀，严重影响纺丝质量。为提高多针头静电纺丝的效率和质量，探索有效可行的多针喷头工艺改善措施，获得更均匀的电场分布，对不同针头数量的正六边形分布式多针电纺喷头的工作电场进行建模仿真分析。通过优化多针喷头结构改善其电场分布，提出了3种措施：设置不同针头间距，不等针长和不同直径屏蔽环，通过有限元分析工具COMSOL Multiphysics 5.5对其进行仿真分析，详细阐明不同针间距下电场分布特征的变化趋势，加长中心针对电场分布均匀性的影响以及屏蔽环在均衡电场分布和集中分布范围上的作用。这为实现多针头静电纺丝过程的高效稳定提供了理论支持，也为多针头静电纺丝批量化生产的设备进一步优化提供研究基础。

关键词：静电纺丝;多针喷头;电场分布;有限元分析;不等针长;屏蔽环

中图分类号：TQ 340.1文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）04-0833-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0424开放科学（资源服务）標识码（OSID）：

Improvement and simulation analysis of electric field

distribution in multi-needle electrospinningGUO Wenli1，2，REN Xiaolong2，CHEN Jiangyi1

（1.School of Mechanical and Power Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China;

2.Guangdong Shunde Innovative Design and Research Institute，Foshan 528000，China）Abstract：In traditional multi-needle spinning nozzle，the electric field distribution is not uniform due to strong mutual interference between needles，which seriously affects the spinning quality.In order to improve the efficiency and quality of more needles electrostatic spinning，a feasible needle nozzle technology was explored，with a more uniform electric field distribution obtained.A modeling and simulating analysis were made for an operation electric field with hexagonal-distributed electrospinning nozzle needle in different numbers.By optimizing the structure of the multi-needle nozzle to improve its electric field distribution，three measures were proposed：different needle spacings，unequal needle lengths and different diameters of the shielding ring.A finite element analysis tool COMSOL Multiphysics 5.5 was used to carry out a simulation test，and the differences were clarified in details：the changing trend of the electric field distribution characteristics under the needle spacing，the effect of the lengthening center on the uniformity of the electric field distribution，and the role of the shielding ring in balancing the electric field distribution and the concentrated distribution range.The results provide a theoretical support for realizing the high efficiency and stability of the multi-needle electrospinning process，which is a research basis for the equipment optimization of multi-needle electrospinning mass production.

Key words：electrospinning;multi-needle;electric field distribution;finite element analysis;unequal needle length;shield ring

第4期郭文利，等：多针头静电纺丝电场分布改善及仿真分析

0引言

纳米纤维由于其表现出的高比表面积、高孔隙率、优异的力学性能及柔性等多种普通尺寸材料不具备的特殊性能[1]，材料的应用也广泛涉及到组织工程[2-4]，环保过滤[5-6]，能源领域[7-9]，传感器技术[10]等重要前沿领域。静电纺丝法具有简单、工艺可控、可连续生产的优点，是目前用于直接制备纳米纤维最便捷有效的方法[11]。

为实现纳米纤维膜的高质量和大批量生产，多针静电纺丝和无针静电纺丝成为高效制备纳米纤维膜的热门技术[12-13]。其中无针静电纺丝技术中具有代表性的是蜘蛛纳米纤维静电纺丝[14]和气泡静电纺丝技术[15]，但无针静电纺丝技术往往存在直径尺寸，射流可控性和工艺的稳定控制方面的不足[16-19]。相比之下，多针静电纺丝技术在纳米纤维的均匀性、材料的适应性、微结构的复杂性、膜功能的多样性等方面具有更大的优势。但是经研究发现，多喷头射流间由于相邻针头间的电场会产生相互排斥的现象，导致纺丝过程的不稳定和纳米纤维的不均匀沉积[20-21]，所以对于多针头静电纺丝技术，电场分布的优化是一个关键问题。Zhou等在早前的研究中就发现，当喷头的间距比较小时，针头与针头之间彼此受到的电场干扰较大，喷出的射流之间会相互影响，甚至很难形成射流，纤维直径也变得不稳定[22];刘延波等研究了附加金属套管的结构参数对静电纺丝过程工作电场的影响[23];吴元强等对线性排列的多针头静电纺丝电场强度分布进行了仿真研究，分析了针头数量、针外径、针长、接收距离、电压以及针间距等因素对电场强度的影响[24];卓丽云等分析了3种线性排列方式的多针头分别以2种针间距放置时的电场强度分布，认为其中梯形错列喷头在保证一定的射流密度下，可获得相对较高的电场强度[25];余薇等基于库仑定律提出一种呈线性凸弧形排列方式的多针喷头并进行了有限元模拟分析，认为线性凸弧形排布方式能够降低边缘针头的场强且有利于改善针头处电场分布均匀性[26]。

文中对不同针数的正六边形多针系统进行模型简化和模拟仿真，结合其电场分布特征，提出改善多针喷头场强分布均匀性的可行措施：通过对不同针间距下场强分布趋势的仿真分析，选择合适的针间距;通过设置不等长度的针头均衡各针尖处的场强大小，进一步提高场强分布的均匀性;通过对加载不同直径屏蔽圆环下电场分布的仿真分析，选择合适大小的屏蔽圆环，得到场强分布均匀且集中的工作电场。

1静电场理论分析

静电纺丝装置在稳定工作状态下保持源场电压不变，所以该研究所建模型所处的物理场为一个稳态静电场。稳态静电场的泊松方程表示为

2模型建立与针头结构

静电纺丝装置一般可以分为以下部分：高压电源发生器、供液装置、纺丝喷管、收集器。装置原理示意图如图1所示。

接通电源后，在喷头和收集器间便形成工作电场。静电纺丝装置以7针为例，多针喷头结构如图2所示。

正六边形多针喷头针数由少到多可有7针、19针、37针等多针系统，以19针为例，针头分布平面示意如图3所示，黑色实点表示针头，虚线表示连接的针头处于相同的位置，相邻针间距为l，按位置标记，如7针系统由1位针和2位针组成，19针系统由1位针、2位针、3位针组成，以此类推。

使用有限元软件对静电纺丝过程进行仿真，简化模型如图4所示，主要由多针喷头，矩形接收薄板和空间域组成，加载有高压静电的多针喷头和接地的金属收集薄板是形成电场的主要因素。

3电场仿真分析

3.1不同针间距的多针电场仿真

对不同针间距的正六边形多针喷头进行仿真，分析针间距对场强分布的影响，选择合适的针间距，兼顾场强分布均匀性与射流密度以适应规模化的生产过程。以7针系统为例详细介绍：接收间距为150 mm，设置针间距l取值10～40 mm，步长为5 mm。选择针尖下方1 mm电场强度值作为观测值。当针间距为10 mm和20 mm时针尖下方1 mm处场强分布如图5所示。

通过仿真可以分析7针喷头的电场分布特征：1位针电场强度小于2位针电场强度，2位针各针在电场中处于相同位置，针尖场强值接近一致，2位针对1位针产生类似屏蔽效果。记1位针电场强度为E₁，2位针中电场强度最大值为E₂，场强差值为ΔE₁₂=E₂-E₁。将不同针间距下所得的场强数据整理分析得到针间距对场强分布的影响如图6所示，左轴表示场强值，右轴表示标准差系数。随着针间距的增大，各针尖场强和整体平均场强随之增大。值得注意的是，当针间距不大于30 mm时，标准差系数V_σ和ΔE₁₂维持同一水平小范围浮动。当针间距大于30   mm时，两者都随针间距增大而明显减小。这是因为在相同的工作电压下，针间距越小、针上电荷间的相互排斥和干扰越强，场强被削弱也越明显。随着间距增大，針间相互作用减弱，整体场强提高，当针距增大到一定程度时，各针接近单针电场分布，各针场强趋近一致。

同时从19针喷头仿真中也可以看到相似的电场分布特征，如图7所示：针间距增大，各针电场强度增大，与7针喷头相比标准差系数减小更明显，说明针头数量更多时，场强分布对针间距变化更敏感;3位针对1位针和2位针产生屏蔽作用。可以认为：较小的针间距可以获得较大的射流密度，有利于批量化生产，但工作电场质量较差;较大的针间距有利于获得较大且分布均匀的工作电场但生产效率不高，因此综合考虑认为对于正六边形排列式多针喷头，针间距应为20～30 mm较好，当针数增加时，考虑到纺丝液溶剂挥发等需求，可适当选择稍大的针间距。文中为7针喷头选择针间距为20 mm，V_σ=0.07;19针喷头针间距为25 mm，V_σ=0.11。

3.2不等针长的多针电场仿真

由静电场理论可知，改变两点电荷之间的距离，电场力会随之改变，可以通过改变针长来提高场强分布的均匀性。为了尽量对少数的针长做出调整，文中选择收集薄板位置不变的情况下加长低位针。多针喷头标号按同位针（由低到高）针长标记，如：19针等长喷头记作25-25-25。图8分别展示了7针和19针系统不等针长情况下的场强分布云图，对比图8（a）和（b）中可以看到，1位针加长为25.12 mm后，电场强度变大，红色区域变大，颜色变深，由图8（c）和（d）中同样可以看到1位针和2位针分别加长至25.18 mm和25.14 mm后电场强度得到有效增强。

表2中列出了几种不同针长标号的7针喷头的场强分布数据。结果表明：随着1位针加长，场强差值ΔE₁₂随之减小;当1位针长度为25.14 mm和25.16 mm时，都有ΔE₁₂为负数，即E₂1

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