DOI: 10.1016/j.ces.2021.116463
靜電紡絲已成為合成納米纖維的最通用和最廣泛使用的方法之一。生產具有可控纖維取向、空間沉積和高生產率的定制納米纖維組件對于新興應用而言是非常理想的，這就需要設計出新型靜電紡絲系統。電場在決定射流軌跡方面起著重要作用，因此，電場的操縱可以為研究者提供一種工具來創建所需的纖維結構。在這項工作中，作者使用有限元模擬系統研究了靜電紡絲系統的三個方面，尤其是收集器/靶設計、輔助電極和多噴嘴結構。分析了不同設計的電場分布，并將其與文獻報道的實驗研究相關聯，以預測纖維的宏觀性能。結果表明，可以利用電場分布的變化來控制和增強纖維取向、空間沉積和生產率。
圖1.典型的靜電紡裝置示意圖，顯示了電紡纖維射流的路徑。
圖2.Model-0：（a）3-D幾何結構。（b）表面-箭頭圖顯示y-z平面中的電位分布。（c）等高線-箭頭圖顯示x-y平面中的電位分布。（d）示意圖說明纖維在接地收集器表面上的沉積。
圖3.Model-1：（a）3-D幾何結構。（b）示意圖顯示定向纖維沉積在兩個平行棱鏡之間的間隙內。（c）-（l）表面-箭頭和等高線-箭頭圖分別顯示在（c-d）25mm，（e-f）50mm，（g-h）75mm，（i-j）100mm和（k-l）150mm的間隙寬度（do）下x-z平面和x-y平面上的電位分布。線圖顯示了在不同間隙寬度下，沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）以及（n）沿x軸（在收集器頂部，即z/Hz=1）的電位（m）的變化。
圖4.Model-2：（a）3-D幾何結構；（b）表面-箭頭圖顯示y-z平面中的電位分布；（c）等高線-箭頭圖顯示x-y平面中的電位分布。Model-3：（d）3-D幾何結構；（e）表面-箭頭圖顯示y-z平面中的電位分布；（f）等高線-箭頭圖顯示x-y平面中的電位分布。線圖比較了（g）沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）和（h）沿x軸（在收集器頂部，即z/Hz=1）的電位變化，分別適用于模型0-3。（i）示意圖顯示“+”形收集板間隙內的縱橫交錯的纖維沉積。
圖5.Model-4：（a）3-D幾何結構；（b-c）表面-箭頭圖分別顯示y-z和x-z平面中的電位分布；（d）等高線-箭頭圖顯示x-y平面中的電位分布。Model-5：（e）3-D幾何結構；（f-g）表面-箭頭圖分別顯示y-z和x-z平面中的電位分布；（h）等高線-箭頭圖顯示x-y平面中的電位分布。線圖比較（i）沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）和（j）沿x軸（在收集器頂部，即z/Hz=1）的電位變化，分別適用于模型0、4和5。（k）示意圖顯示定向纖維呈周向沉積在旋轉的滾筒收集器上。
圖6.Model-6：（a）3-D幾何結構。（b）等高線-箭頭圖顯示當Vr=10kV，dz=100mm和rd=100mm時，x-y平面（z/Hz=1）上的電位分布。表面-箭頭圖顯示環電勢（Vr）分別為（c）2kV，（d）5kV，（e）10kV，（f）15kV和（g）20kV時，y-z平面中的電位分布。（h）線圖比較在不同環電勢下沿z軸的電位變化（x/Hx=y/Hy=0）。表面-箭頭圖顯示當噴嘴尖端與環的標準化距離（dz/Hz）分別為（i）0.15，（j）0.25，（k）0.50，（l）0.75和（m）0.85時，y-z平面中的電位分布。（n）線圖比較在不同的噴嘴尖端與環的標準化距離下，沿z軸上的電位變化（x/Hx=y/Hy=0）。表面-箭頭圖顯示環直徑（rd）分別為（o）30mm，（p）50mm，（q）100mm，（r）150mm和（s）190mm時，y-z平面中的電位分布。（t）線圖比較不同環直徑下，沿z軸的電位變化（x/Hx=y/Hy=0）。
圖7.Model-7：（a）3-D幾何結構。（b）線圖比較了當施加在環上的電位不同時，沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）的電位變化。表面-箭頭和等高線-箭頭圖分別顯示對于（c-d）情況I：15kV-1kV，（e-f）情況II：1kV-15kV，以及（g-h）情況III：所有環均為10kV，x-z平面和x-y平面中的電位分布。（i）示意圖顯示多個輔助環對靜電紡絲纖維射流的影響。
圖8.Model-8：（a）3-D幾何結構。線圖比較了當施加在環上的電位不同時，（b）沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）和（c）沿x軸（在收集器環的頂部，即z/Hz=0.97）的電位變化。表面-箭頭和等高線-箭頭圖顯示當施加在收集器環上的電勢分別為（d-f）0kV，（g-i）+5kV和（j-l）-5kV時，y-z、x-z和x-y平面中的電位分布。
圖9.Model-9：（a）3-D幾何結構。（b）示意圖顯示多噴嘴對靜電紡絲纖維射流的影響。表面-箭頭和的等高線-箭頭圖顯示當噴嘴間距離分別為（c-e）5mm，（f-h）7mm，（i-k）9mm，（l-n）11mm，（o-q）13mm，（r-t）15mm時，y-z和x-y平面中的電位分布。（e），（h），（k），（n），（q），（t），（w）是相應等高線-箭頭圖的放大圖像，顯示了噴嘴附近的分布。線圖比較在不同噴嘴間距離下，（x）沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）和（y）沿x軸（在收集器頂部，即z/Hz=1）的電位變化，以及單噴嘴的相應電位變化。插圖顯示了包含紅色切割線的幾何圖像，沿著該切割線確定電勢。
圖10.Model-10：（a）3-D幾何結構。（b）示意圖顯示放置在多噴嘴附近的輔助環形電極對靜電紡絲纖維射流的影響。表面-箭頭和的等高線-箭頭圖顯示當噴嘴間距離分別為（c-e）5mm，（f-h）7mm，（i-k）9mm，（l-n）11mm，（o-q）13mm，（r-t）15mm時，y-z和x-y平面中的電位分布。（e），（h），（k），（n），（q），（t）是相應等高線-箭頭圖的放大圖像，顯示了噴嘴附近的分布。線圖比較在不同噴嘴間距離下，（u）沿z軸（x/Hx=y/Hy=0）和（v）沿x軸（在收集器頂部，即z/Hz=1）的電位變化。插圖顯示了包含紅色切割線的幾何圖形，沿著該切割線確定電勢。
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