張澤茹 ，劉延波 ，2，馬 營 ，陳威亞

（1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387）

多針頭靜電紡技術(shù)是目前提高紡絲產(chǎn)量和推進紡絲工業(yè)化應(yīng)用最普遍也是最主要的方法之一[1].而多針頭射流之間存在干擾的現(xiàn)象，成為靜電紡絲技術(shù)走向工業(yè)化的最大障礙.在靜電紡絲過程中，電場的分布形式及場強大小都會影響到射流的穩(wěn)定性及整個紡絲的效果[2].為了研究多針頭靜電紡PBS的狀況，本文首先利用comsole軟件對規(guī)?；橆^高壓靜電紡絲機的工作場強進行3D建模與仿真，模擬靜電紡過程中場強的大小及其分布形式，然后通過靜電紡絲實驗紡制納米纖維膜，研究場強大小及其分布對紡絲過程及纖維形態(tài)的影響.

1 場強模擬

Tomaszewksi[3]等分別采用直線、橢圓和圓形排布的針頭進行紡絲，對比發(fā)現(xiàn):線性排布的針頭紡絲情況較差，橢圓形和圓形排布的針頭紡絲效率最高且紡制的產(chǎn)品質(zhì)量最好；圓形分布改善了工藝穩(wěn)定性，并在一定程度上提高了加工效率.為了研究其原理，本文利用comsole軟件分別對規(guī)模化六針頭高壓靜電紡絲機針頭在直線排列和圓形排列時的工作場強進行3D建模與仿真，模擬結(jié)果如圖1所示，圖中白色類圓形區(qū)域代表紡針所在位置，針內(nèi)部黑色區(qū)域代表場強最大值，遠離針的黑色區(qū)域為場強最弱區(qū)域.

從圖1模擬結(jié)果可以看出:最大場強出現(xiàn)在每個針頭的針尖部位，最弱場強出現(xiàn)在遠離針尖的區(qū)域.在相同的靜電紡絲條件下，線形排列的一排針的各針尖處場強峰值并不相同，中間針場強小，邊緣針場強最大（1.374×107），且最大值出現(xiàn)在最外兩側(cè)針頭的針尖外端部位.這是由于在多針頭靜電紡過程中，各個針尖部位不但受到垂直方向靜電場的作用，還受到各針頭上所帶同性電荷的庫倫力（靜電斥力）引起的水平方向靜電場的作用，而且這種水平方向的靜電場也存在隨位置變化而變化的疊加作用，每個針頭上的場強矢量和（總場強）都是其自身和相鄰針頭的場強疊加作用的結(jié)果.圓形排列的針其場強最大值為1.199×107，比線形排列的值稍小，然而各個針的場強值幾乎相等，也就是圓形排列使得每個針受到的場強得以均衡；由于靜電斥力的存在，針內(nèi)部黑色區(qū)域并不是在針的周圍呈均勻的圓形分布，而是向外側(cè)偏移.

2 實驗部分

2.1 實驗原料

實驗原料為聚丁二酸丁二醇酯（PBS）高聚物（注塑級），相對分子質(zhì)量20萬，密度1.27g/cm3，熔點115℃，由安慶和興化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)，分子式為:

實驗儀器包括:85－2型恒溫磁力攪拌器，江蘇中大儀器廠產(chǎn)品；JSM－6700型掃描電子顯微鏡，日本日立公司產(chǎn)品.

2.2 溶劑選擇

根據(jù)溶解度參數(shù)原則，若溶劑的溶解度參數(shù)（δ1）和聚合物的溶解度參數(shù)（δ2）相近或相等時，就能使聚合物溶解，δ越接近越易溶解，一般認為|δ1－ δ2|＜2～4 可以溶解.通過PBS重復(fù)單元中各基團的摩爾引力常數(shù)F之和除以重復(fù)單元的摩爾體積，可計算得到其溶解度參數(shù).表1[4]所示為各種基團的摩爾引力常數(shù).

表1 各基團的摩爾引力常數(shù)FTab.1 Moore gravitational constant F of each group

計算得PBS溶解度參數(shù)為12.61848 cal0.5/cm1.5.由此可知三氯甲烷是PBS的良溶劑，且三氯甲烷的導(dǎo)電率高，表面張力小，所以選三氯甲烷為主溶劑[5]；但三氯甲烷的揮發(fā)性較快，需要選用合適的溶劑作為助溶劑.異丙醇是一種良好的表面活性劑，可以大大降低溶液的表面張力，而且揮發(fā)率比較低.本文選擇三氯甲烷和異丙醇（2種溶劑性質(zhì)如表2）的混合溶液作為溶劑，通過調(diào)整兩者的體積分數(shù)來得到所需的溶劑.

表2 實驗采用的有機溶劑及其性質(zhì)Tab.2 Organic solvent used in experiment and its properties

2.3 紡絲液配制

先稱取一定質(zhì)量的PBS高聚物顆粒，配制質(zhì)量分數(shù)為10%的溶液，根據(jù)所需溶液濃度計算、稱取溶劑三氯甲烷/異丙醇（8∶2）的質(zhì)量，然后將溶質(zhì)、溶劑依次倒入帶有磁力轉(zhuǎn)子的磨砂廣口瓶中，將廣口瓶放在磁力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1000 r/h的85－2型恒溫磁力攪拌器上，在室溫下攪拌大約2 h，使PBS顆粒完全溶解，直至溶液呈均勻透明狀.

2.4 靜電紡絲

采用自制的靜電紡絲裝置，設(shè)計2種不同排列方式的6針頭進行靜電紡PBS試驗，裝置如圖2所示.

紡絲時采用完全相同的針（22#）和針管（5 mL），且每個針管內(nèi)吸入等量的紡絲液，在室溫條件下進行紡絲，用接地鋁箔作為接收屏，噴絲口與接收屏距離為15 cm，電壓為20 kV（+），溶液注射速率為2.0 mL/h.紡絲溶液在電場力作用下克服表面張力，形成一股帶電的穩(wěn)定噴射細流，細流經(jīng)過分裂與拉伸，水分揮發(fā)，以無序狀排列于接地的鋁箔上形成纖維.紡絲時的工藝參數(shù)可按照需要進行改變.

2.5 靜電紡纖維形態(tài)的表征

運用JSM－6700F型掃描電子顯微鏡測定樣品的表觀形貌，對樣品進行噴金處理，電子束加速電壓為10 kV，放大倍數(shù)為3000倍和8000倍.將得到的超細纖維掃描圖使用Image-ProPlus圖像分析軟件測量纖維的直徑并采用Origin 7.5進行分析，得到具體的纖維直徑數(shù)值及直徑分布范圍.

3 結(jié)果與分析

3.1 紡絲狀況

在多針頭靜電紡絲過程中，射流不僅受到施加電壓所產(chǎn)生的電場力和自身所帶電荷間的庫侖力的作用，還受到各個針頭間庫侖力的相互作用.圖3所示為6針頭線形排列和圓形排列的紡絲圖.

從圖3中可以看到:線形排列針頭射流間的排斥明顯，在庫侖力的作用下，除中心位置的針頭可以保持垂直噴射外，其他針頭產(chǎn)生的射流都向背離中心的位置彎曲，這是由于線形排列的針的針頭受到圖1（a）所示的不均勻電場所致；圓形排列針的場強分布均勻，各針頭射流間的排斥不明顯，在一定程度上改善了射流排斥現(xiàn)象，紡絲穩(wěn)定.

3.2 纖維形貌

影響靜電紡絲纖維結(jié)構(gòu)特點的因素有很多，其中所受靜電力影響最為重要.圖4（a）（b）分別為6針線形排列和6針圓形排列的靜電紡的纖維形貌圖.

由圖4可以看出:針頭排列不同，纖維形態(tài)和直徑分布也有所不同.線形排列的針所紡纖維粗細不勻，有微細纖維出現(xiàn)，直徑分布呈雙峰形式.這是由于邊緣針的場強值大，射流受到較大的電場力，有利于纖維被抽長拉細，就會產(chǎn)生較細的纖維；而中間的針受到的電場力小，制得的纖維直徑較粗.圓形排列的針，由于每個針頭上的場強均勻，所得纖維粗細比較均勻，直徑較粗，直徑呈單峰分布.

4 結(jié)論

（1）在相同靜電紡絲條件下，線形排列的針各針尖處場強峰值并不相同，中間針場強小，邊緣針場強最大；圓形排列的針其場強分布均勻，稍向外側(cè)偏移.

（2）線形排列的針其針頭受到不勻的場強，射流間的排斥明顯；圓形排列的針紡絲穩(wěn)定，排斥不明顯.

（3）線形排列針頭所紡纖維粗細不勻，有微細纖維出現(xiàn)；圓形排列所得纖維粗細比較均勻，直徑較粗.

[1]張娓華，孫潤軍，陳美玉.多頭噴射靜電紡技術(shù)的研究進展[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010（9）:1-8.

[2]THERON S A，YARIN A L，ZUSSMAN E，et al.Multiple jets in electrospinning:Experiment and modeling [J].Polymer，2005，46:2889-2899

[3]TOMASZEWSKIW S.Investigation of electrospinning with the use of multi-jet electrospinning head[J].Fibers&Textiles in Eastern Europe，2005，13:22-26.

[4]何曼君，陳維孝，董西俠.高分子物理[M].修訂版.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2000:118

[5]曾紅梅.靜電紡聚丁二酸丁二醇醋（PBS）納米纖維的制備及其性能研究[D].上海:東華大學(xué)，2007.