刘朝阳,管声启

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着科技发展,纺织制品广泛应用于医疗、防护、过滤等行业,传统的纺织纤维材料已经无法满足行业的各种需求[1-2]。这种背景下,纳米纤维的出现满足了人们对于新型纺织材料的需求与应用[3]。与传统的纺织材料相比,纳米纤维具有比表面积高、超细尺度等诸多优点,由纳米纤维加工制作的纺织制品具有更加优异的性能[4]。

静电纺丝法是目前最有希望实现大批量制备纳米纤维的有效方法之一,与拉伸法、自组装法等方法相比,具有设备操作简单便捷、纤维生产方便等优势[5-7]。自Formalas使用高压静电作用力生产制备出高聚物纤维以来,越来越多的研究者致力于使用静电纺丝法制备纳米纤维[8]。传统静电纺丝使用单针头装置,生产效率低下，针对这种情况,研究人员对传统静电纺丝喷头进行改进或重新设计,力求提高纳米纤维生产效率,实现纳米纤维批量化制备[9]。然而,由于受静电纺丝技术瓶颈的制约,目前纳米纤维生产效率低、产量不足、直径较粗等问题仍旧没有得到有效解决,难以实现纳米纤维的大批量生产制备,影响行业内的实际需求[10-12]。

为了解决静电纺丝纳米纤维生产效率低、产量不足等问题[13],设计一种气流狭槽静电纺丝喷头,引入气流作用力进行纤维辅助牵伸,以达到静电力与气流力共同对纳米纤维进行牵伸的效果,用于大批量生产制备纳米纤维。

1 喷头结构

1.1 模型分析

静电纺丝法制备纳米纤维大多使用针头式静电纺丝喷头,存在纤维生产效率低、针头易堵塞等缺点[14]。与针头式静电纺丝喷头相比,无针头式喷头拥有不易堵塞、便于清洗等优点,能够大幅度提高纳米纤维产量,是目前静电纺丝喷头的主要形式之一[15-16]。

在气流纺丝中,气流力能够对纳米纤维进行牵伸细化,是纺丝过程中的重要因素[17]。静电纺丝喷头形式中,对称式结构能够产生均匀稳定的电场,且尖端效应能够增强喷嘴处电场强度,有利于形成场强较大、稳定均匀的纺丝电场[18]。结合以上内容,将气流作用引入到对称式纺丝喷头,纺丝喷头产生气流力与静电力实现共同牵伸纳米纤维。受熔喷模头对喷气流的启发,在静电纺丝喷头模型中加工2个对称喷气狭槽,用以在静电纺丝过程中进行喷气辅助,由此设计出一种带有尖端的对称结构式气流狭槽静电纺丝喷头。

1.2 工作原理

图1为喷头模型图,盖板与喷头主腔体组合在一起形成喷头主体结构。喷头结构中主要包括储气室、储液室、出液孔、气流狭槽等部分。纺丝溶液从进液嘴进入储液室,高压气流自进气孔进入储气室,用于溶液的存储和气流的供给。

图 1 喷头模型图Fig.1 Nozzle model

出液孔所在平面的宽度要大小适中,不宜过大。宽度太大,容易使该位置形成一个纺丝溶液聚合物集聚的死角,溶液会在此位置发生聚集现象[19]，进而导致相邻出液孔之间的液滴相互接触,团聚到一起形成较大的液滴。由于纺丝过程中的电场力太小,不足以影响液滴,无法对液滴进行有效牵伸。液滴会在重力作用下滴落到接收板上,破坏纳米纤维;而宽度太小,容易引起喷头喷嘴处产生变形、磨损,造成气流狭槽宽度发生变化,进而导致气流角度产生变化,影响纺丝效果。

工作时,纺丝溶液经进液嘴输入到储液室存储,空气经输气管进入储气室存储。高压发生器的正极连接纺丝喷头喷嘴,负极连接接收板,这样在纺丝喷头与接收板之间会形成感应电场,产生的电场力对溶液射流起牵伸作用。同时,储气室中的空气经气流狭槽喷出,在纺丝喷头与接收板之间形成气流场,气流作用力配合电场力共同对溶液射流进行牵伸细化,控制射流轨迹。在电场力和气流力的协同作用下,溶液射流从出液孔喷出形成纳米纤维,沉积到接收板。

2 喷头仿真设计

在气流静电纺丝喷头的设计中,最重要的一点就是确定喷头的最优结构。通过查阅相关文献[20]与前期经验,可以大致确定喷头外轮廓尺寸。但是在纺丝过程中,气流力是研究中新引入的作用力,气流力的合适与否会影响到纺丝效果。气流狭槽角度、宽度是影响气流喷射的2个重要参数,会影响气流力的大小与方向,因此需要对其进行参数最优选取,进而确定纺丝喷头最优结构。考虑到使用的便捷性与结果的准确性,采用多物理场有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3对气流狭槽静电纺丝喷头结构中的重要参数进行仿真分析。

2.1 参数设定

使用Auto CAD 绘制不同狭槽宽度、不同狭槽角度的气流场工作区域模型,以文件形式分别导入 COMSOL中进行求解。设定工作区域材料介质为空气,气流入口压力为0.3 MPa,出口压力为-3 kPa,壁条件为无滑移,其设定模型如图2所示。

图 2 工作区域模型Fig.2 Work area model

2.2 结果分析

对纺丝喷头工作区域周围的气流场云图进行仿真模拟,获得不同气流狭槽宽度、角度下的气流速度分布云图,图3中不同颜色表示具有不同的气流速度,深蓝色部分为气流纺丝非工作区域,红色部分、黄色部分和青绿色部分为气流纺丝工作区域,颜色从红色、黄色向深蓝色变化,表示气流速度逐渐减小,整个计算区域以喷头的对称轴呈对称分布。

如图3所示,图3(a)、(b)、(c)分别为喷头宽度0.4、0.5、0.6 mm时的气流速度分布云图。通过对比3种状况可以看出,气流狭槽宽度为0.4 mm时,气流速度分布并不十分均匀,青绿色部分有偏折现象,强弱气流区分不明显;气流狭槽宽度为0.5 mm时,气流速度分布中色彩分布均匀,中间黄色区域更为明显,气流速度最高为264.2 m/s,这说明此时气流速度快、强度大、气流喷射分布均匀;而在气流狭槽宽度为0.6 mm时,气流速度最高仅为248.6 m/s,且分布效果无明显的改善。因此,可判定气流狭槽宽度为0.5 mm时更有利于纺丝效果。

(a) 0.4 mm

(c) 0.6 mm图 3 不同喷头宽度的气流速度分布图Fig.3 Flow field distribution of different nozzle width

如图4所示,蓝色区域为纺丝非工作区域,气流速度慢、压强小,黄色和红色区域为工作区域,气流速度快、压强大。图4(a)、(b)、(c)分别是气流狭槽角度为45°、50°、55°的气流分布情况。通过对比可看出,气流狭槽角度为45°时,气流速度分布呈现偏折情况,不利于纤维形成;气流狭槽角度为50°时,纺丝喷头产生的气流场颜色分布均匀,计算区域以对称式呈现,中间黄色区域鲜明,气流速度最大可达到295.3 m/s,说明此时气流场分布均匀、速度快;气流狭槽角度为55°时,气流场的范围逐渐扩大,但气流速度分布不对称、不均匀,这说明在实际纺丝过程中气流速度不均,使得气流力无法对纤维起到很好的拉伸作用,因此选择50°为气流狭槽最佳角度。

(a) 45° (b) 50° (c) 55°图 4 不同喷头角度的气流速度分布图Fig.4 Flow field distribution of different nozzle angles

2.3 确定喷头结构

纺丝过程中,进气气压与进液流量主要依靠外部控制,因此进气孔和进液孔的结构及几何尺寸对纺丝效果并无太大影响。纺丝喷头的喷液口几何尺寸不宜过大,为了更适合出丝效果,将喷液口直径定为0.5 mm。通过对不同气流狭槽角度和不同气流狭槽宽度进行参数仿真,选取气流狭缝角度为50°，气流狭缝宽度为0.5 mm,确定喷头结构,其主要尺寸如图5(a)所示。最后通过SOLIDWORKS进行三维建模,得到纺丝喷头效果图5(b)。

(a) 主要结构尺寸

(b) 喷头效果图图 5 喷头结构Fig.5 Nozzle structure

3 实验验证

为了验证气流静电纺丝喷头的实用性,搭建实验平台,选用质量分数为12%的PAN溶液进行实验。实验时,设定环境温度为24～26 ℃,湿度为18%～30%RH,纺丝电压为50 kV,气压为0.3 MPa。

由于纺丝接收范围有限,接收面积过大或过小都不利于纤维产量测试,因此选定接收面积为0.5 m2。使用所设计的气流静电纺丝喷头和纺丝范围为同规格的多针头静电纺丝喷头进行PAN纺丝实验1 h。实验得出气流静电纺丝喷头制备纳米纤维其产量可以达到70 g/h,而多针头静电纺丝喷头生产纳米纤维的产量仅为8.1 g/h,气流静电纺丝喷头制备纳米纤维产量有较为明显地提升。

将纳米纤维取样，制得纳米纤维电镜图如图6所示。可以看出，使用气流狭槽静电纺丝喷头制备得到的纳米纤维形貌良好、分布均匀,纤维取向较为规则统一,证明气流狭槽静电纺丝喷头生产的纳米纤维质量优良。

图 6 纳米纤维电镜图Fig.6 Electron micrograph of nanofibers

同时,对图6中的纳米纤维进行直径测量,并对直径分布进行统计分析,得出电镜图中的纤维直径多为100～200 nm,占总数量的80%;直径大于200 nm的纤维数量只占总数量的4%,说明纤维直径整体分布均匀、形貌良好。而直径低于100 nm的纤维数量占总数量的15%左右,这说明通过气流静电纺丝喷头所制备的纳米纤维直径存在细化情况,可为纳米纤维细化研究提供帮助。

4 结 语

为实现纳米纤维大批量生产与探究纤维直径细化,设计一种气流狭缝静电纺丝喷头结构。使用COMSOL Multiphysics 5.3对气流狭槽模型进行参数仿真分析,获得气流狭槽最优参数,确定气流狭槽静电纺丝喷头结构。为了验证气流狭槽静电纺丝喷头的实用性,选用质量分数为12%的PAN溶液进行纺丝实验,实验表明使用气流狭槽静电纺丝喷头制备纳米纤维,其产量可以达到70 g/h,是同规格多针头静电纺丝喷头制备纤维产量的9倍左右,纤维直径为70～300 nm。由此证明,气流狭槽静电纺丝喷头具备大批量制备纳米纤维的能力,不仅能够提高纳米纤维产量,加快纺丝的进程,还能够细化纤维直径,为纳米纤维牵伸细化研究提供帮助。