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摘要：为了研究单辅助电极对传统静电纺丝场强的影响，采用COMSOL Multiphysics 5.3有限元模拟软件对添加辅助电极的传统静电纺丝过程中的电场强度大小与分布进行模拟，分析辅助电极空间位置和喷丝头与辅助电极间距两者对静电纺丝场强的影响。模拟结果发现，添加辅助电极后，传统静电纺丝的电场强度呈现增加的趋势，辅助电极平行于喷丝头时的最大场强为5.2×106 V/m，大于辅助电极垂直喷丝头时的最大场强4.8×106 V/m，带有平行电极的纺丝电场强度较大，纺丝效果较好；随着工作电压和喷丝头与辅助电极间距的增加，静电纺丝中的电场强度随之增强，喷丝头尖端液滴受到的电场力增大，促进多射流的产生。
关键词：静电纺丝；有限元分析；场强分布；多射流
Simulation of Field Intensity Distribution by Single Needle Electrode Position
Su Leilei，Wu Yuke※，Peng Wei，Li Qingqing，Fang Jiaqin
(School of Mechatronics Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China)
Abstract:In order to study the influence of single auxiliary electrode on the field strength of traditional electrostatic spinning,COMSOL Multiphysics 5.3 finite element simulation software was used to simulate the size and distribution of electric field strength in traditional electrostatic spinning process with auxiliary electrode.The influence of the space position of the auxiliary electrode and the distance between the spinneret and the auxiliary electrode on the electrospinning field strength was analyzed.The simulation results show that the electric field intensity of traditional electrospinning increases with the addition of auxiliary electrode.The maximum electric field intensity when the auxiliary electrode is parallel to the spinneret is 5.2×106 V/m,which is larger than the maximum electric field intensity when the auxiliary electrode is vertical to the spinneret,which is 4.8×106 V/m.The electric field intensity with parallel electrode is larger and the spinning effect is better.With the increase of the working voltage and the distance between the spinneret and the auxiliary electrode,the electric field intensity in electrostatic spinning increases,and the electric field force on the droplet at the spinneret tip increases,which promotes the generation of multi-jet.
Key words:electrostatic spinning;finite element analysis;the field intensity distribution;many jet
0引言
静电纺丝相较于传统纺丝技术能够直接连续地制备纳米纤维[1]。静电纺丝过程中，聚合物溶液在强电场作用下带电形变。在电场力驱动下，液滴毛细管末端逐渐变成一个圆锥，即泰勒锥[2]。当电场足够大时，泰勒锥表面形成射流，经过电场的高速拉伸、溶剂的挥发固化，最终聚合物纤维形成。静电纺丝在过去的20年里由于其独特的优点受到极大关注，如纤维的大表面积体积比和高孔隙率，在生物医学材料、过滤、涂层和传感器[3-6]等领域有广泛应用。
传统静电纺丝技术具有设备简单、操作方便等优点，但纤维的产率较低，只能达到0.01~0.3 g/h，这极大地限制了纳米纤维的生产效率[7]。为了提高纳米纤维的产率，增加喷丝头的数目是静电纺丝系统中常用方法。实质上是增加聚合物射流的数量。然而，相邻喷丝头间的静电相互干扰会造成纤维膜不均匀。无针静电纺丝被认为是提高纳米纤维产率的有效技术[8]。通过溶液在开放区域内从液体表面形成更多的射流，以此增加生产纳米纤维的效率。Liu等[9]提出的气泡静电纺丝技术，利用气泡破裂时形成更多射流来提高纳米纤维的生产效率。Niu等[10]将圆柱滚筒上的铜线连接高压电源浸润在溶液中并极化聚合物溶液，通过滚筒旋转带走少量溶液附着在滚筒表面，继而形成射流生产纤维。但无针静电纺也存在系统复杂和成本高等问题，目前也未能实现批量化生产纤维。近年来，相关研究结合传统静电纺丝和无针静电纺丝的优点，提出单针辅助电极静电纺丝系统[11]。该方法为提高纳米纤维的生产效率提供途径。
本文采用一种利用有限元来模拟电场的数值分析技术，即COMSOL Multiphysics 5.3，对单针辅助电极静电纺丝系统进行模拟研究。根据实际装置的大小，利用COMSOL对有无辅助电极的传统静电纺丝系统的电场强度大小和分布进行研究。根据结果分析辅助电极位置对电场强度的影响。
1电场模拟与装置设计
1.1 COMSOL模拟原理及参数
COMSOL作为一款以有限元分析为基础的模拟仿真软件，通过以下流程进行模拟分析，即确定模拟内容→建立模型→设定求解域与边界条件→进行网格划分→求解器求解→对结果后处理[12]。
目前COMSOL可实现多物理场的模拟。本文采用三维的空间维度，使用AC/DC模块中的静电物理场对静电
场进行模拟，其中静电场强遵循泊松方程[13]：
-∇dε0εγ∇V=dρ(1)
式中：ε0为真空相对介电常数；εγ为介质相对介电常数；V为电势能；ρ为空间电荷密度，根据相关等式E=-∇V可得到对应的场强值。
根据模拟要求，模型的求解设置中需要纺针、接收板以及空气的相对介电常数。本文辅助电极、纺针和接收板均为金属材质，相对介电常数为1.5，空气的相对介电常数为1。在模拟中，模型周围的空气边界采用零电荷，已达到充当有限边界内实现静电纺丝无限远距离的目的。装置的接收板接地，针的边界设置为相应的电压值，其余边界条件设为连续。表1所示为模拟的静电纺丝装置参数和规格。
1.2装置设计
常见的静电纺丝装置由高压电源、喷头及供液装置和纤维接收装置3部分组成[14]，如图1所示。在模拟中集电极和无限远处均设置为零电位，参数包括电极尖端到喷丝头的间距从2~0.5 cm，施加的工作电压为9、10、11和12 kV。在所有模拟中，喷丝头尖端到接收板的距离均为15 cm。
本模拟对不同位置辅助电极下单喷丝头的电场进行研究。图1为模拟的单针多射流静电纺丝装置。研究辅助电极的空间位置和电极位置与喷丝头间距对场强分布的影响。图中的接收板是一个长为160 mm，宽100 mm，厚2 mm的平面板。图1中(a)是平行于喷丝头的辅助电极，(b)则是垂直于喷丝头的辅助电极。
图2(a)和(b)是没有辅助电极(系统1)的单根金属纺针。图2(c)和(d)是在侧面添加平行于喷丝头的辅助电极单纺针系统，辅助电极接地且电极尖端和喷丝头尖端并列(系统2)，图2(e)和(f)中的辅助电极与喷丝头垂直，辅助电极接地(系统3)。
2结果与讨论
2.1辅助电极空间位置对场强分布的影响
如图3所示，对传统静电纺丝系统1~3下喷丝头进行模拟研究。利用COMSOL Multiphysics软件计算静电纺丝过程中的电场在三维平面上的分布。图中针头的红色部分显示的是最强电场，蓝色部分则表示为最弱电场。
表2所示为在不同电压下3种系统的喷丝头沿x轴和y轴方向模拟的最大电场强度。图4则为不同电压下纺丝区域电场强度，辅助电极不带电压，喷丝头与电极之间的距离为1 cm。图4(a)、(b)和(c)分别代表在9~12 kV电压下3种不同辅助电极(无、垂直和平行)情况下喷丝头和辅助电极在y轴上的电场变化。模拟结果表明，无辅助电极时，喷丝头两端的电场强度最大，喷丝头中间部分电场强度最小，场强从喷丝头两端向中间不断递减，喷丝头两侧场强不断减小。辅助电极平行喷丝头时，在辅助电极附近出现较高的电场强度。相较平行于喷丝头的辅助电极，垂直辅助电极附近的电场强度偏小。但两者附近都比无辅助电极时的场强大很多。观察图4(b)和(c)，发现从喷丝头到辅助电极，电场强度先减小，随后在辅助电极附近增大，且喷丝头上的场强比无辅助电极时喷丝头上的场强大得多，说明辅助电极的加入，增大了纺丝区域的电场强度。喷丝头与辅助电极平行时，喷丝头电场强度高于垂直时的喷丝头场强，同时辅助电极是接地的。
图4(d)、(e)和(f)则分别表示在9~12 kV电压下3种不同辅助电极(无、垂直和平行)情况下喷丝头到接收板沿x轴的电场强度分布。模拟结果发现，从喷丝头到接收板，电场强度是不断递减的。其他参数条件不变下，喷丝头有辅助电极(平行或垂直)和无辅助电极时，电场强度都随着工作电压的不断增大而增大。分别比较不同电压(9~12 kV)下传统静电纺丝相同电压的三种系统沿x轴的电场强度。可以看出，有辅助电极的喷丝头最大场强位于3.5×106~5.2×106 V/m，无辅助电极的喷丝头最大场强位于3.0×106~4.2×106 V/m，两者相对比，添加辅助电极的系统场强有明显的增大，说明辅助电极的加入极大地增强了纺丝过程中的电场强度。
根据模拟表2来看，当工作电压为12 kV时，平行位置辅助电极的喷丝头尖端的最大场强Emax=5.2×106 V/m，垂直位置辅助电极的喷丝头尖端的最大场强Emax=4.7×106 V/m，无辅助电极的喷丝头尖端的最大场强Emax=1.2×106 V/m。比较3种系统下的喷丝头尖端最大场强值，发现添加电极后的喷丝头场强值大于无辅助电极的场强值，平行于电极的喷丝头尖端场强值大于垂直于电极的喷丝头尖端场强值。结果表明，辅助电极可以增强喷丝头尖端的场强，且平行位置的电极效果最好。这可使产生射流的阈值电压小于垂直位置辅助电极，可以产生比垂直位置更多的射流。射流产生的越多，纳米纤维的产率就越高。
2.2电极与喷丝头的距离对场强分布的影响
前文研究了3种不同情况下不带电辅助电极空间位置对场强分布的影响。通过选取前文的平行辅助电极装置，进一步研究在相同电压12 kV和喷丝头距离接收板15 cm条件下，辅助电极与喷丝头的距离从2~0.5 cm的变化对场强分布的影响，如图5所示。
通过观察12 kV电压下X轴上喷丝头与接收板的场强最值，发现随着辅助电极和喷丝头间距的不断减小，接收板上的场强最值相对稳定，喷丝头尖端的场强先减小，到达临界值后再增大。在喷丝头和接收板方向上，电场强度由最大逐渐减为0。对于12 kV电压下Y轴上喷丝头与辅助电极的场强最值，模拟研究表明，在喷丝头与辅助电极方向上，电场强度先减小然后在辅助电极面上增大，随着辅助电极与喷丝头间距的减小，辅助电极上的电场强度逐渐增加。
3结束语
本文设计了带辅助电极的传统静电纺丝装置，研究了辅助电极的空间位置和电极与喷丝头间距对场强分布的影响。利用COMSOL Multiphysics软件，采用有限元法模拟了电场分布。仿真结果表明，与无辅助电极的喷丝头附近场强相比，辅助电极(平行或垂直)的加入增强了喷丝头的电场强度，喷丝头尖端液滴所受电场力增大，促进多射流的产生。平行位置辅助电极相较于垂直产生射流的阈值电压更小，可产生更多的射流，提高纤维产率。随着工作电压和辅助电极与喷丝头间距的增大，静电纺丝的场强增大，促进多射流的产生。该研究对于扩大单针多射流静电纺丝的发展具有重要的理论意义和工业意义。本文的相关研究同样适用于静电纺丝的发展。
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