01

派言派語(yǔ) 寫在前面

靜電紡絲是制備納米纖維膜的主要技術(shù)，能夠從各種聚合物中連續(xù)生產(chǎn)納米級(jí)纖維，應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)藥和微電子領(lǐng)域。

多針靜電紡絲是一種高效的納米纖維膜制備方法，但制備過(guò)程中流體流速的波動(dòng)會(huì)影響膜的質(zhì)量并導(dǎo)致不穩(wěn)定，這一問(wèn)題尚未得到解決。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)多級(jí)流道噴絲頭以實(shí)現(xiàn)納米纖維膜的大規(guī)模生產(chǎn)。

鑒于此，2024年8月5日，廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的研究人員在Polymers上發(fā)表研究成果。

研究者利用COMSOL有限元軟件模擬聚合物在噴絲頭流道中的流動(dòng)，得到速度場(chǎng)分布和速度不穩(wěn)定系數(shù)，為優(yōu)化噴絲頭設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

此外，利用響應(yīng)面分析（RSM）對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，然后利用殘差概率圖進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，以評(píng)估各工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響。這些工藝參數(shù)可以指導(dǎo)多針靜電紡絲過(guò)程中納米纖維的可控生產(chǎn)。

02

模擬細(xì)節(jié) 結(jié)果討論

1、噴絲頭的設(shè)計(jì)與仿真

噴絲頭中聚合物流出的穩(wěn)定性和流量分布的均勻性是決定納米纖維膜質(zhì)量的關(guān)鍵。為了保證多針電紡絲的性能，設(shè)計(jì)了新型多級(jí)流道噴絲頭。

采用有限元分析模擬不同流道角度下聚合物流動(dòng)過(guò)程中的速度，分析不同結(jié)構(gòu)流道對(duì)聚合物流動(dòng)穩(wěn)定性的影響，為噴絲頭的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖1.(A)噴絲頭裝置的通道模型(B)網(wǎng)格生成

設(shè)計(jì)的噴絲頭的幾何模型和網(wǎng)格劃分分別如圖1A、B所示。流道直接決定了聚合物流動(dòng)是否均勻，因此考慮噴絲頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)非常重要。

多級(jí)流道的結(jié)構(gòu)大致類似于衣架，如圖1A所示，可以避免垂直流道中聚合物流動(dòng)過(guò)快和分布不均勻的現(xiàn)象。

有限元分析的結(jié)果可以指導(dǎo)新型噴絲頭不同結(jié)構(gòu)流道配置的幾何形狀和評(píng)估?？梢暂p松獲得二維或三維流場(chǎng)速度分布。

圖2.不同噴絲頭角度下聚合物速度分布

圖2a–f為不同流道角度下聚合物的流速分布。建立6種不同的噴絲頭流道結(jié)構(gòu)，研究不同角度對(duì)速度場(chǎng)的影響，計(jì)算出口處的速度分布。

2、RSM測(cè)試

建立回歸模型可以優(yōu)化工藝參數(shù)、預(yù)測(cè)響應(yīng)指標(biāo)，最終得到最優(yōu)回歸擬合方程。利用Design-Expert軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的平均纖維直徑數(shù)據(jù)，構(gòu)建響應(yīng)曲面回歸模型和響應(yīng)指數(shù)數(shù)學(xué)模型，

通過(guò)觀察數(shù)據(jù)是否本質(zhì)上服從線性分布，利用殘差正態(tài)概率圖來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性。正態(tài)概率圖如圖3所示。

圖3.平均納米纖維直徑的殘差

圖3的X軸表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的理論分位數(shù)。Y軸表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布下數(shù)據(jù)點(diǎn)的累積概率。圖3中的數(shù)據(jù)最終呈現(xiàn)為直線，表明模型的準(zhǔn)確性是可靠的。

3、響應(yīng)面分析

研究了不同工藝參數(shù)對(duì)納米纖維平均直徑的影響，并利用Design-Expert軟件繪制了響應(yīng)曲面曲線，如圖4所示。工藝參數(shù)為電壓、收集距離和溶液濃度。

圖4A，B顯示了電壓與收集距離相互作用的二維和三維響應(yīng)曲面輪廓。隨著紡絲電壓的增加，納米纖維的平均直徑相對(duì)減小。由于電壓的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度和流體射流的排斥力增加，有利于纖維變細(xì)，納米纖維的平均直徑會(huì)直接減小。

圖4.（A）電壓和收集距離等值線圖；（B）電壓和收集距離響應(yīng)曲面圖

4、優(yōu)化與驗(yàn)證

在Design-Expert軟件中分析了RSM模型中的工藝參數(shù)方程，并通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)探索響應(yīng)指標(biāo)的極值點(diǎn)，從而確定最佳工藝參數(shù)配置。

參數(shù)配置為溶液濃度12%、收集距離25cm、紡絲電壓59kV，最佳參數(shù)配置下的納米纖維直徑平均值為0.199μm。以此參數(shù)配置進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)結(jié)果，重復(fù)實(shí)驗(yàn)中的平均直徑為0.195μm。

圖5.實(shí)驗(yàn)樣品SEM圖

5、微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察納米纖維膜的微觀形貌，利用ImageJ軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行分析，每個(gè)樣品中選取約100根納米纖維測(cè)量直徑，利用Origin軟件繪制纖維直徑分布。

圖6顯示了SEM圖像和直徑分布。濃度為11wt%的組有四組，其對(duì)應(yīng)的SEM圖像和纖維直徑分布如圖6所示。

圖6. (1)–(4)為11%濃度的電子顯微照片和直徑分布

03

研究總結(jié) 未來(lái)展望

總之，在本研究中，設(shè)計(jì)了一種新型多級(jí)流道噴絲頭，以促進(jìn)納米纖維膜的大規(guī)模制造。采用COMSOL Multiphysics 6.0模擬噴絲頭內(nèi)聚合物溶液在不同流道角度下的速度分布。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)主流道角度設(shè)置為170°時(shí)，噴絲頭出口處的不均勻性(U)最小。采用Box–Behnken設(shè)計(jì)(BBD)響應(yīng)面法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行靜電紡絲實(shí)驗(yàn)。建立了數(shù)學(xué)回歸模型，將工藝參數(shù)與平均纖維直徑關(guān)聯(lián)起來(lái)。