多針頭靜電紡絲的數(shù)值模擬研究.pdf

1、靜電紡絲是一種制取納米纖維簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法。采用電場(chǎng)力作為拉伸力是靜電紡絲和傳統(tǒng)干濕法紡絲最大的不同之一，靜電紡絲噴頭的電場(chǎng)分布影響了射流的形成和運(yùn)動(dòng)軌跡，因此研究靜電紡絲的電場(chǎng)是很必要的。最近國(guó)內(nèi)開(kāi)始了多針頭靜電紡絲的研究，但其缺陷是在紡絲過(guò)程中，其它針頭的引入會(huì)引起原有針頭局部電場(chǎng)的下降。本文利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)靜電紡絲針頭的電場(chǎng)進(jìn)行模擬，能夠簡(jiǎn)單而直觀地顯示出電場(chǎng)的分布，進(jìn)而全面深入地分析場(chǎng)強(qiáng)對(duì)纖維形成

2、的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)靜電紡納米纖維提供參考。
　　本文從模擬傳統(tǒng)單針頭靜電紡絲的電場(chǎng)出發(fā)，建立幾何模型，施加激勵(lì)源后得到電場(chǎng)分布圖，分析等位線和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖以及電場(chǎng)強(qiáng)度云圖，結(jié)合電流體力學(xué)理論，得出液滴錐尖處具有最大的表面電荷密度和電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)力最先在此處克服溶液的表面張力而噴出射流。采用COMSOL Multiphysics有限元模擬軟件對(duì)多針頭靜電紡絲過(guò)程中的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小與分布進(jìn)行了模擬分析，對(duì)過(guò)程參數(shù)如紡針數(shù)量、直徑、長(zhǎng)

3、度、間距以及電壓對(duì)各針場(chǎng)強(qiáng)大小與分布的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以探尋過(guò)程參數(shù)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響和出現(xiàn)“邊緣效應(yīng)(end effect)”的理論依據(jù)。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單針頭靜電紡絲，場(chǎng)強(qiáng)峰值出現(xiàn)在針尖部位，而在線性排列的多針頭靜電紡絲中，中間紡針的場(chǎng)強(qiáng)受到抑制變小，場(chǎng)強(qiáng)峰值出現(xiàn)在兩側(cè)紡針的針尖外側(cè)，從而導(dǎo)致“邊緣效應(yīng)”現(xiàn)象。此外，隨著紡針數(shù)量、直徑和長(zhǎng)度的增加，兩側(cè)紡針場(chǎng)強(qiáng)峰值下降顯著，而電壓的增大和接收距離的減小則使場(chǎng)強(qiáng)峰值明顯增大

4、。
　　然而，靜電紡絲產(chǎn)量低是這種技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用的最大障礙。本文通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈納米纖維，主要研究材料制備過(guò)程中施加電壓、接收距離、紡針間距等因素對(duì)納米纖維形貌、尺寸、均勻度等特性的影響。采用的表征手段主要是掃描電子顯微鏡（SEM），同時(shí)借助于數(shù)字電導(dǎo)儀、Image-Pro Plus軟件等來(lái)分析直徑及其分布規(guī)律，通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)觀察纖維絲的形貌，通過(guò)能夠表征直徑分布的直條圖直觀的看出直徑分布規(guī)律。