DOI: 10.1016/j.ces.2021.116463

静电纺丝已成为合成纳米纤维的最通用和最广泛使用的方法之一。生产具有可控纤维取向、空间沉积和高生产率的定制纳米纤维组件对于新兴应用而言是非常理想的，这就需要设计出新型静电纺丝系统。电场在决定射流轨迹方面起着重要作用，因此，电场的操纵可以为研究者提供一种工具来创建所需的纤维结构。在这项工作中，作者使用有限元模拟系统研究了静电纺丝系统的三个方面，尤其是收集器/靶设计、辅助电极和多喷嘴结构。分析了不同设计的电场分布，并将其与文献报道的实验研究相关联，以预测纤维的宏观性能。结果表明，可以利用电场分布的变化来控制和增强纤维取向、空间沉积和生产率。

图1.典型的静电纺装置示意图，显示了电纺纤维射流的路径。

图2.Model-0：（a）3-D几何结构。（b）表面-箭头图显示y-z平面中的电位分布。（c）等高线-箭头图显示x-y平面中的电位分布。（d）示意图说明纤维在接地收集器表面上的沉积。

图3.Model-1：（a）3-D几何结构。（b）示意图显示定向纤维沉积在两个平行棱镜之间的间隙内。（c）-（l）表面-箭头和等高线-箭头图分别显示在（c-d）25mm，（e-f）50mm，（g-h）75mm，（i-j）100mm和（k-l）150mm的间隙宽度（do）下x-z平面和x-y平面上的电位分布。线图显示了在不同间隙宽度下，沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）以及（n）沿x轴（在收集器顶部，即z/Hz=1）的电位（m）的变化。

图4.Model-2：（a）3-D几何结构；（b）表面-箭头图显示y-z平面中的电位分布；（c）等高线-箭头图显示x-y平面中的电位分布。Model-3：（d）3-D几何结构；（e）表面-箭头图显示y-z平面中的电位分布；（f）等高线-箭头图显示x-y平面中的电位分布。线图比较了（g）沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）和（h）沿x轴（在收集器顶部，即z/Hz=1）的电位变化，分别适用于模型0-3。（i）示意图显示“+”形收集板间隙内的纵横交错的纤维沉积。

图5.Model-4：（a）3-D几何结构；（b-c）表面-箭头图分别显示y-z和x-z平面中的电位分布；（d）等高线-箭头图显示x-y平面中的电位分布。Model-5：（e）3-D几何结构；（f-g）表面-箭头图分别显示y-z和x-z平面中的电位分布；（h）等高线-箭头图显示x-y平面中的电位分布。线图比较（i）沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）和（j）沿x轴（在收集器顶部，即z/Hz=1）的电位变化，分别适用于模型0、4和5。（k）示意图显示定向纤维呈周向沉积在旋转的滚筒收集器上。

图6.Model-6：（a）3-D几何结构。（b）等高线-箭头图显示当Vr=10kV，dz=100mm和rd=100mm时，x-y平面（z/Hz=1）上的电位分布。表面-箭头图显示环电势（Vr）分别为（c）2kV，（d）5kV，（e）10kV，（f）15kV和（g）20kV时，y-z平面中的电位分布。（h）线图比较在不同环电势下沿z轴的电位变化（x/Hx=y/Hy=0）。表面-箭头图显示当喷嘴尖端与环的标准化距离（dz/Hz）分别为（i）0.15，（j）0.25，（k）0.50，（l）0.75和（m）0.85时，y-z平面中的电位分布。（n）线图比较在不同的喷嘴尖端与环的标准化距离下，沿z轴上的电位变化（x/Hx=y/Hy=0）。表面-箭头图显示环直径（rd）分别为（o）30mm，（p）50mm，（q）100mm，（r）150mm和（s）190mm时，y-z平面中的电位分布。（t）线图比较不同环直径下，沿z轴的电位变化（x/Hx=y/Hy=0）。

图7.Model-7：（a）3-D几何结构。（b）线图比较了当施加在环上的电位不同时，沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）的电位变化。表面-箭头和等高线-箭头图分别显示对于（c-d）情况I：15kV-1kV，（e-f）情况II：1kV-15kV，以及（g-h）情况III：所有环均为10kV，x-z平面和x-y平面中的电位分布。（i）示意图显示多个辅助环对静电纺丝纤维射流的影响。

图8.Model-8：（a）3-D几何结构。线图比较了当施加在环上的电位不同时，（b）沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）和（c）沿x轴（在收集器环的顶部，即z/Hz=0.97）的电位变化。表面-箭头和等高线-箭头图显示当施加在收集器环上的电势分别为（d-f）0kV，（g-i）+5kV和（j-l）-5kV时，y-z、x-z和x-y平面中的电位分布。

图9.Model-9：（a）3-D几何结构。（b）示意图显示多喷嘴对静电纺丝纤维射流的影响。表面-箭头和的等高线-箭头图显示当喷嘴间距离分别为（c-e）5mm，（f-h）7mm，（i-k）9mm，（l-n）11mm，（o-q）13mm，（r-t）15mm时，y-z和x-y平面中的电位分布。（e），（h），（k），（n），（q），（t），（w）是相应等高线-箭头图的放大图像，显示了喷嘴附近的分布。线图比较在不同喷嘴间距离下，（x）沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）和（y）沿x轴（在收集器顶部，即z/Hz=1）的电位变化，以及单喷嘴的相应电位变化。插图显示了包含红色切割线的几何图像，沿着该切割线确定电势。

图10.Model-10：（a）3-D几何结构。（b）示意图显示放置在多喷嘴附近的辅助环形电极对静电纺丝纤维射流的影响。表面-箭头和的等高线-箭头图显示当喷嘴间距离分别为（c-e）5mm，（f-h）7mm，（i-k）9mm，（l-n）11mm，（o-q）13mm，（r-t）15mm时，y-z和x-y平面中的电位分布。（e），（h），（k），（n），（q），（t）是相应等高线-箭头图的放大图像，显示了喷嘴附近的分布。线图比较在不同喷嘴间距离下，（u）沿z轴（x/Hx=y/Hy=0）和（v）沿x轴（在收集器顶部，即z/Hz=1）的电位变化。插图显示了包含红色切割线的几何图形，沿着该切割线确定电势。