基于UG NX的多喷头静电纺丝装置设计与仿真分析*

谷润润，苗鹏杰，吴业北，张金霞，乔祯祥，李守柱

（新疆理工学院，新疆阿克苏 843000）

0 引言

21 世纪以来，纳米技术在众多领域的成功应用推动其快速发展。纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围内的线状的材料[1]。近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸法、模板合成法、自组装法和静电纺丝等，而静电纺丝是一种成本较低、装备简单、生产效率较高的能够直接、连续高效制备聚合物纳米纤维的方法。

静电纺丝技术所制备的纳米纤维可以广泛应用于各个领域，如生物医疗、环境保护、微电子制造、新能源材料、食品科学等［2］。然而传统的静电纺丝装置为单喷头，生产效率较低，单喷头静电纺丝机的生产率只能达到（0.1～1）g∕h，且单喷头容易堵塞，从而影响自动化生产，人工疏通导致生产成本过高，进而影响其产业化和规模化。针对这一问题，相关研究者提出了多喷头静电纺丝技术和无喷头静电纺丝技术，这也是目前提高产量和推进工业化应用最普遍的方法。因此本文旨在提高纳米纤维的产量和解决喷头堵塞问题，研究与设计一种新型的、操作简便且性能稳定的静电纺丝装置，根据静电纺丝基本原理，对堵塞的喷头通过疏通装置进行运动仿真分析，解决静电纺丝喷头堵塞的难题，验证装置的基本性能及可行性，有利于进一步提高在静电纺丝喷头连续供液能力，该喷头疏通装置为静电纺丝设备的研发和优化改进提供理论依据与技术支持[3]。

1 总体结构及工作原理

传统的静电纺丝装置一般采用单喷头进行纺丝，效率较低，为了批量化制备纳米纤维，提高静电纺丝的效率，本文设计一种新型多喷头静电纺丝装置，主要由供液装置、疏通装置、喷头装置、收集装置、辅助装置等部分组成。辅助装置又包括高压电源、照明及箱体[4]。其中，储液罐固定于箱体上方，静电纺丝原料从储液室中通过输液软管输送到喷头里面。将可纺溶液置于供液装置中，喷头上外加了高电压，使液滴表面带同种电荷，溶液在喷嘴处形成液滴后会在电场力的作用下产生电荷的移动，最终液滴在静电力与内应力的共同作用下形成“泰勒锥”［5］，最终纳米纤维沉积在接收板上。当喷头堵塞时，疏通针支架通过气缸驱动疏通针支架，带动疏通针下降，清除堵塞的喷头中残留凝固物，能够实现快速地疏通和清洁喷头；接收装置可以通过电机带动凸轮分割器使接收板可以绕中心轴旋转运动，实现接收板可以沿着直线滑轨进行前后运动，静电纺丝结束完成后，静电纺丝接收装置可以沿轨道取出纳米纤维，这样对于接收板更换与检修更加方便，提高了工作效率。新型多喷头静电纺丝装置总体结构如图1所示。

图1 多喷头静电纺丝装置总体结构示意图

2 静电纺丝制备纳米纤维的影响因素

2.1 纺丝液性质

纺丝液性质影响因素主要包括纺丝液黏度、导电性、表面张力，纺丝液一般由聚合物和溶解聚合物的溶剂组成[6]。纺丝液黏度越大，聚合物分子链越易缠结，射流越不稳定，纺丝难度较大，不易制得直径分布均匀的纳米纤维。但是黏度小无法形成射流，只能形成微滴，因此配制适宜黏度的纺丝液是静电纺丝的关键第一步；在静电纺丝过程中，选择导电性高的溶剂是最简单直接的方法。纺丝液的导电性提高，溶液表面的电荷密度相应增加，射流时受到更大的电场力，利于制备直径较小的纳米纤维。静电纺丝过程中，当静电斥力大于溶液的表面张力时纺丝液才会形成射流，纺丝液的表面张力不仅影响泰勒锥的形成，而且还影响射流在高压场中的运动及分裂，对纤维的形貌有决定性作用[7]。

2.2 操作条件

操作条件影响因素主要包括电压、接收距离、纺丝液喷射速度，电压直接决定纺丝液能否形成射流，保证静电纺丝的顺利进行；射流装置和接收器之间的距离和纺丝液的喷射速度影响着纳米纤维的直径和形貌，因此这3 方面对纺丝效果有影响，静电纺丝操作条件的控制和优化也至关重要[8]。

2.3 纺丝环境

纺丝环境影响因素主要包括纺丝温度和纺丝湿度。纺丝温度对静电纺丝有一定的影响，升高温度有利于溶剂的挥发，使射流在电场中快速固化，使纳米纤维直径增大。纺丝温度变化还会直接影响纺丝液的黏度、表面张力及导电性。纺丝温度升高，纺丝液的黏度和表面张力均减小，导电率提高，加快射流分子链的运动速度，在电场力的作用下射流不稳定性增强，容易形成珠结；湿度对静电纺丝的影响主要表现在湿度会改变溶剂的挥发性，湿度升高会降低溶剂的挥发速率，因此可以通过调节环境湿度对纺丝所得的纳米纤维形貌进行调控[9]。

3 关键部件设计

3.1 喷头装置设计

在纺丝过程中喷头的数量是决定纺丝产量的直接因素，喷头的排列方式则影响着收集装置上电纺纤维的分布区域。喷头需要有良好的导电效果，对于多针喷头则需要使每个喷头处的电压趋于一致，结构的设计也要尽可能避免电荷干扰和严重的电场屏蔽现象[10]。根据设备实验舱的内部尺寸大小，喷头安装箱长度为1 200 mm，喷头到接收板距离为200 mm。另外，为了使所纺的纳米纤维膜整体上较为均匀，喷头的数量设置成偶数。喷头数量的增加可以提高纳米纤维产量，但是喷头数量过高则会使电场强度普遍降低。通过综合考虑，设计两排静电纺丝设备的纺丝喷头共计26个，喷丝头内径1.5 mm[11]。

3.2 疏通装置设计

静电纺丝疏通装置主要包括疏通针支架、疏通针和升降装置。疏通针支架为中空结构，疏通针支架尺寸为1 000 mm×300 mm，疏通针最小直径为1 mm，数量与喷头安装箱上的布置相同。升降装置采用的是气缸升降，气缸的型号为SE63X100FB，两组气缸同时带动疏通针进行Z轴的直线运动。气缸的动力源由空气压缩机为气缸进行供气工作。疏通针固定于疏通针支架上，疏通针固定的位置及排列方式与喷头插口在喷头安装箱上的布置相同，升降装置采用的是气缸固定于空腔的内部，疏通针支架与空腔的水平截面形状及大小相同。疏通针的长度大于喷头的长度，当升降装置降到最低点时，疏通针的下端伸出喷头的下端。当喷头堵塞时，疏通针支架通过气缸驱动疏通针支架，带动疏通针下降，疏通堵塞的喷头。疏通针支架的四周安装有密封圈，避免了纺丝材料干扰升降装置的工作，影响升降装置的使用寿命[12]。

3.3 收集装置设计

根据当前纳米纤维静电纺丝收集装置的分类，一般传统收集有平板收集、滚筒收集和传送带收集方式。根据本文设计的静电纺丝设备的实际需求，采用平板收集方式进行收集纳米纤维。其收集装置最下面为直线滑轨，主要用来保证运行的直线度，可以使上面所连接的结构沿着直线滑轨进行前后运动。底板的下表面设置有与导轨相配合的凹槽，直线导轨的型号为IAS23-H42-L1000。静电纺丝结束后，接收装置可以沿轨道移动，方便物料取出及更换。设计转接板的尺寸为1 100 mm×300 mm×20 mm，接收板的尺寸为1 100 mm×300 mm×70 mm，接收板的一面朝向喷头安装箱，与喷头安装箱的下表面平行。接收板上表面有接收基布，另一面的圆心有旋转组件，主要由电机、凸轮分割器、转接板、接收装置组成，凸轮分割器的型号为140DT，配套电动额定功率750 W，电机驱动分割器可以实现绕中心旋转运动[13]。

3.4 辅助装置设计

静电纺丝装置整体尺寸大小在1 500 mm×1 300 mm×1 800 mm 范围内，其箱体外壳的作用是将所有的零部件组装到一起，并为各个机构提供良好的工作环境。箱体外壳的结构主要分为顶盖、静电纺丝实验舱、上下侧面板、合页、上盖、操作窗口门等。

本文采用圆柱形储液罐进行供液，尺寸为ϕ300 mm×400 mm，并且通过输液管与储液罐相连接，可以实现连续供应纺丝液；由于纳米纤维静电纺丝设备的箱体为密闭型的，为了能够更好地对设备的工作环境进行观察，在实验舱里设置了LED 照明灯，并设置了观察窗口。

静电纺丝实验环境的温湿度是影响静电纺丝实验的重要的环境因素，所以对设备的实验舱的温湿度环境进行实时检测是很必要的。温湿度的检测可以确保该设备所有的静电纺丝实验和生产都是在合理的温湿度环境下进行，如果经过检测发现当下的实验环境不利于进行静电纺丝，就可以及时停止，当实验舱中的温湿度较为适宜时再进行纳米纤维的实验和生产[14]。温湿度传感器的型号选用AM2301，高压电源电压为20 kV。

4 静电纺丝装置运动仿真分析

利用UG 软件进行几何数模设计，在装配模块中将各个零部件装配起来，得到整体结构，进行干涉检査与分析，生成干涉信息报告，通过适当修改，直至没有任何干涉为止。进行预先运动仿真，保证零部件正常工作，进一步保证结构的强度，同时应尽可能考虑轻量化，节约材料成本[15]。

在UG 里运用Motion 插件进行静电纺丝疏通装置简单的运动仿真分析，其设置参数如下[16]：一个滑动副J0002，函数公式为STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130），主要用于滑轨上组件的反复移动，接收装置最下面安装直线滑轨，接收板可以沿着直线滑轨进行前后运动，方面物料取出；一个旋转副J0003，函数公式为STEP（x，0，0，30，360），主要用于整个台面的旋转，通过电机带动凸轮分割器使接收板可以实现绕中心旋转的运动；一个滑动副J0004，函数公式为STEP（x，20，0，23，130）+STEP（x，25，0，28，-130） ，主要用于气缸带动组件的升降，可以实现气缸推动疏通支架通过疏通针上下疏通堵塞喷头的残留凝固物。

5 结束语

本文以静电纺丝技术制备纳米纤维为背景，结合静电纺丝工艺要求，研究与设计一种新型静电纺丝喷头疏通装置，旨在解决静电纺丝工艺过程中出现的喷头堵塞的问题，提供一个稳定的喷头疏通装置，保证能够疏通喷头，并且能够获得静电纺丝技术制备纳米纤维的沉积形貌和质量。经过三维建模与运动仿真表明，设计的新型静电纺丝喷头疏通装置能够较好地疏通喷头残留凝固物并且具有较高的稳定性，能够达到一定的优化与改进效果，但后续可以通过物理样机进行台架试验，进一步验证理论设计，分析疏通喷头的效果，优化结构参数与工作参数，为静电纺丝装置的研发提供理论依据与技术支持，具有重要的学术意义、实用价值和广泛的应用前景。