磁場(chǎng)輔助靜電紡絲的模擬研究.pdf

1、靜電紡絲技術(shù)是一種能夠制備納米纖維簡(jiǎn)單高效的方法。在紡絲過(guò)程中，帶電射流在電場(chǎng)力的作用下加速直線運(yùn)動(dòng)一段距離后產(chǎn)生彎曲不穩(wěn)定的螺旋運(yùn)動(dòng)，溶劑在此過(guò)程中不斷揮發(fā)導(dǎo)致射流濃度和粘度提高，最終溶劑揮發(fā)完全，射流固化成纖，射流的運(yùn)動(dòng)軌跡以及纖維的直徑受多個(gè)參數(shù)的影響。研究者們通過(guò)引入輔助場(chǎng)（輔助電場(chǎng)，氣流場(chǎng)，磁場(chǎng)等）對(duì)射流運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制并得到了很多成果，其中磁場(chǎng)輔助靜電紡絲技術(shù)是將兩塊平行放置的永磁鐵作為接收裝置，能夠收集到排列非常有序的納米

2、纖維。由于射流運(yùn)動(dòng)速度快且直徑小，難以試驗(yàn)觀察，有必要對(duì)靜電紡絲射流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)以及磁場(chǎng)輔助靜電紡絲的機(jī)理進(jìn)行模擬研究。本文研究了針板式紡絲裝置下靜電紡絲的電場(chǎng)分布特點(diǎn)以及射流運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)研究了磁場(chǎng)輔助靜電紡絲的電場(chǎng)，磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)對(duì)射流運(yùn)動(dòng)的影響作用。
　　為了建立針板式紡絲裝置下電場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，本文利用ANSYS軟件對(duì)針板式紡絲裝置的電場(chǎng)分布以及強(qiáng)度進(jìn)行了模擬研究。模擬研究表明，針頭處的電場(chǎng)強(qiáng)度較大且分布不均勻，而在靠近接受板位

3、置的電場(chǎng)較弱且分布較為均勻。接受板直徑與針板間距減小均能夠使得針頭以及接受板附近電場(chǎng)強(qiáng)度提高，但是只有當(dāng)接受板尺寸與針板間距相等時(shí)，接收板附近才能夠得到較為均勻的電場(chǎng)分布。
　　結(jié)合針板式紡絲裝置中電場(chǎng)分布的特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化為點(diǎn)電荷以及虛擬平面之間產(chǎn)生的電場(chǎng)。紡絲射流的計(jì)算借鑒了Reneker與Yarin所建立的射流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模型，模型將射流離散為一系列由Maxwell粘彈性單元連接的珠子，同時(shí)考慮了溶劑的揮發(fā)以及射流的固化過(guò)程。利

4、用Runge-Kutta-Merson法對(duì)平衡方程組進(jìn)行數(shù)值求解。討論了加載電壓，紡絲距離以及溶液濃度對(duì)射流纖維直徑的影響規(guī)律。結(jié)果表明，增加加載電壓，減小紡絲距離，增加溶液濃度均導(dǎo)致纖維直徑的增加。
　　為了得到合理的磁場(chǎng)輔助靜電紡絲磁場(chǎng)模型，利用ANSYS對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：在磁鐵上方附近的位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，且以水平分量為主，邊緣位置以豎直分量為主，與磁鐵距離增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小。增加磁鐵間距能夠使得間隙位置的