作者介绍

徐岚 教授

苏州大学

苏州大学纺织与服装工程学院教授、博士生导师。长期在纳米技术、流体力学和数值模拟领域开展研究工作，取得了一系列研究成果。发表SCI论文100余篇，获国家发明专利20余项；获省部级奖7项，市厅级奖3项。入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才和上海市青年科技启明星计划。曾获2009年度届“Scopus寻找未来科学之星”活动中的纳米科学类的青年科学之星称号。

尹静 博士

苏州大学

2024年获苏州大学博士学位；2022-2023年在新加坡国立大学机械工程系访学一年。发表SCI论文20篇，主要研究方向为静电纺丝装置的开发与数值模拟、纳米纤维在自发电传感器中的应用。

文章导读

传统单针静电纺丝技术具有针头易堵塞、纤维产量低等缺点，限制了纳米纤维的产业化应用。为克服这一缺陷，研究人员通过设计各种纺丝喷头的结构和尺寸以开发各种类型的自由液面静电纺丝装置，并对纺丝过程中的电场分布进行优化，以实现增加泰勒锥的数量并获得高质量和高产率的纳米纤维。然而，目前基于实验研究或电场模拟所开发的自由液面纺丝装置，缺少对其纺丝过程中多股射流的形成机理和力学行为的研究。苏州大学徐岚教授及其团队在 Materials 期刊发表的文章 (Formation Mechanism and Motion Characteristics of Multiple Jets in Spherical Section Free Surface Electrospinning)，对球切面静电纺丝装置 (SSFSE) 多股射流的形成及运动过程进行了受力分析，建立了射流初速度与电场强度之间的关系；采用计算流体力学方法进行数值模拟，比较了不同球半径的纺丝喷头在自由液面纺丝过程中射流产生的位置和速度分布；最后，通过实验验证了数值模拟结果。

研究过程与结果

当对SSFSE加载高压电场后，电流体动力学的不稳定性使溶液中的自由电荷受到诱导并分布于纺丝液面，电荷的不均匀分布会对纺丝液面的稳态产生扰动，使纺丝液面产生微小的波动。随着电场强度的持续增加，微小波动处会同时产生多个峰值，其中每个峰值的位置都相当于一个泰勒锥，电荷集中于泰勒锥的曲率半径最大处，产生更强的电流体动力效应 (图1)。在SSFSE纺丝过程中，通过射流产生时所受的力进一步地对射流中的单位电荷运动的初始速度与电场强度间的关系进行具体化的表示。根据射流从液面喷射出以及继续向上运动所遵循的质量守恒方程、电荷守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程模型，以及射流的运动过程力学分析，可得电场强度对自由液面纺丝过程射流的产生与运动有着较大的影响。

图1. 不同球体半径截断的SSFSE纺丝喷头 (a)、射流产生与运动过程中力的分析 (b) 和射流微元体 (c)。

由于自由液面纺丝过程中射流运动波动较大，在实际测试中难以准确测量射流速度。因此，本研究对不同球半径的SSFSE装置过程进行数值模拟，通过分析射流运动轨迹和运动过程中的速度变化，揭示射流运动的内部规律 (图2)。根据之前的研究工作[1]，对40 kV下不同球体半径的SSFSE电场模拟结果，可以获得在纺丝液面的径向电场强度随着距液面中心的位置变化而变化，导致入口处每个产生射流的点的初始速度都不相同。因此，为了对液面上产生的各个射流的初始速度进行连续性的设置，将纺丝喷头径向中心到纺丝喷头边缘的电场强度值进行指数拟合，获得拟合模型的解析式。进一步地，根据射流产生的位置，计算射流微元体所带的电荷量，同时将电场强度拟合结果、射流微元体所带电荷量、纺丝溶液性质等参数引入至电场-射流关系式中，以获得射流初始速度与位置间的关系。

图2. 不同球体半径的纺丝喷头模拟电场强度值及拟合曲线：(a) 45 mm，(b) 55 mm，(c) 65 mm，(d) 75 mm，(e) 85 mm。

结合在数值模拟中所加入的MHD模型、湍流模型和流体体积模型，以模拟多股射流进入求解区域的运动轨迹、射流的速度分布等。球体半径为45 mm的纺丝喷头边缘处的射流速度最大，为17.312 m/s。随着球体半径的增加，纺丝喷头边缘处的最大射流速度逐渐减小 (图3)，主要原因是纺丝喷头“尖端放电”现象逐渐减弱，电场强度降低。根据质量守恒定律，射流速度越大，得到的纤维直径越细。同时，随着球体半径的增加，射流在纺丝喷头边缘的最大速度停留在较长的距离处，这与SSFSE过程中电场分布均匀有关，增加了射流稳定运动阶段的持续时间，使得纤维直径分布均匀。另外，球体半径的增加使得不稳定运动时射流向外扩展的现象更加明显。

图3. 在0.15 s时不同球体半径的纺丝喷头速度流线图。(a) 45 mm，(b) 55 mm，(c) 65 mm，(d) 75 mm，(e) 85 mm。

为了进一步直观地比较不同球体半径纺丝喷头的射流速度分布，本研究对0.15 s时在纺丝喷头边缘处从纺丝液面到接收装置的单根射流的速度分布曲线 (图4 (a))，以及距离纺丝液面0 mm (图4 (b))，90 mm (图4 (c))，180 mm (图4 (d)) 处的多根射流的速度分布曲线进行了分析。单根射流的运动速度分布受垂直向上的电场力影响，随着球体半径的减小，纺丝液面的电场强度减小，射流的初速度也随之减小。此外，距离纺丝液面不同位置处的射流速度分布与电场强度以及多股射流间的相互作用力均有关。

图4. 纺丝喷头边缘处单根射流运动到接收装置的速度分布 (a) 以及0.15s时距纺丝液面0 mm (b)、90 mm (c) 和180 mm (d) 处多个射流的速度分布。

研究总结

本工作研究了不同球体半径的SSFSE装置在纺丝过程中多股射流的形成机理及运动过程，明确了电场力在射流的形成和运动中的关键作用，建立了射流初速度与纺丝液面电场强度分布之间的关系。综合考虑各方面因素，确定SSFSE最优球体半径为75 mm。最后，使用低电导率纺丝溶液进行实验验证所提出的模型和数值模拟方法。实验结果与仿真结果一致，表明所开发的SSFSE装置和提出的数值方法是适用的。因此，该工作在实际生产中能够有效提高纺丝液面单位面积的射流数，从而对微纳米纤维连续、均匀、高效的制备具有指导作用。

参考文献

[1] Yin, J.; Ahmed, A.; Xu, L. High-throughput free surface electrospinning using solution reservoirs with different depths and its preparation mechanism study. Adv. Fiber Mater.

原文来自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/1996-1944/18/4/908

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：13.9 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”