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單而經(jīng)濟的方法。采用電場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分布影響了射流的形成和運動軌跡，因此研究靜電紡絲的電場是很必要的。最近國內(nèi)開始了多針頭靜電紡絲的研究，但其缺陷是在紡絲過程中，其它針頭的引入會引起原有針頭局部電場的下降。本文利用COMSOL Multiphysics軟件對靜電紡絲針頭的電場進行模擬，能夠簡單而直觀地顯示出電場的分布，進而全面深入地分析場強對纖維形成

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出發(fā)，建立幾何模型，施加激勵源后得到電場分布圖，分析等位線和電場強度矢量圖以及電場強度云圖，結(jié)合電流體力學理論，得出液滴錐尖處具有最大的表面電荷密度和電場強度，電場力最先在此處克服溶液的表面張力而噴出射流。采用COMSOL Multiphysics有限元模擬軟件對多針頭靜電紡絲過程中的電場場強大小與分布進行了模擬分析，對過程參數(shù)如紡針數(shù)量、直徑、長

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

4、。
　　然而，靜電紡絲產(chǎn)量低是這種技術從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應用的最大障礙。本文通過靜電紡絲技術制備聚丙烯腈納米纖維，主要研究材料制備過程中施加電壓、接收距離、紡針間距等因素對納米纖維形貌、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），同時借助于數(shù)字電導儀、Image-Pro Plus軟件等來分析直徑及其分布規(guī)律，通過掃描電子顯微鏡來觀察纖維絲的形貌，通過能夠表征直徑分布的直條圖直觀的看出直徑分布規(guī)律。