1. 研究目的与意义
药物输送设备是药物领域中有前途的工具，因为它们能够最大程度地提高递送药物的影响效果，同时最大程度地减少不希望的副作用，静电纺丝利用以高电压和极低电流为特征的静电势来制造超细纤维，带电聚合物液体的静电斥力高于表面张力，就会形成一个称为泰勒锥的锥形，喷射起始从锥尖端开始。值得注意的是，这两种力量诱导的形成。纳米纤维由于其独特的特征，例如生物相容性和广泛的灵活性等等。试验研究阶段最常见的失败出现在阶段临床试验，大多数候选药物以前未知有毒副作用或治疗医疗状况的功效不足，并且到达市场的一些药物以及产品都依然存在有毒的副作用。在最大程度上降低其副作用的前提下最主要的提升纺丝纤维与细胞细胞反应的灵活性、经济性、结合率、相容性。电纺纤维的特定特征是结构设计参数，泰勒锥由流量和施加电压间接控制。因此，这两个参数之间的良好平衡有利于形成稳定的射流。如果聚合物溶液中存在足够的内聚力，泰勒锥就会喷射出稳定的射流，使聚合物链相互拉伸，形成均匀的灯丝。因此在设置不同的电压及聚合物溶液流速、聚合物粘度浓度、被影响表面张力等因素的情况下，尽可能表现出良好的连续性，具有连续性的静电纺丝。
2. 课题关键问题和重难点
静电纺丝利用高压电场作用使聚合物溶液带有电荷并产生了电场力，溶液表面张力与电场力相反，随着外加电压增加至“阈值电压”，即电场力足以克服表面张力，此时液滴被拉长为带电锥体，即“泰勒锥”，喷射流从锥体顶部发出，沿着电场方向加速喷出，经历溶剂挥发、纤维拉伸、沉积和固化，最终纳米纤维落在接收装置上，因此通过纺丝设备可制作出不同结构性能的纳米纤维。系统参数包括聚合物分子量、浓度、粘度、表面张力、聚合物溶剂等，工艺参数包括喷丝头直径、电纺溶液流速、电压、喷丝头到接收板的距离等。另外湿度、温度、风速也会影响静电纺丝的过程。因此，尝试通过改变各种参数在纳米尺度精细地调 控纤维的微观形貌，从而尽可能获得趋于理想的纳米纤维。但在带针的静电纺丝系统中存在的主要问题是：难以控制每根针中的恒定电压或流速以获得的连续均匀的泰勒锥以及喷射过程中部分聚合物溶液挥发的问题，因此发展的关键点重点在于“无针”静电纺丝技术和“绿色”溶剂或无溶剂系统。
3. 国内外研究现状（文献综述）
[1]王振秋,张猛,张佃平.静电纺丝技术在锂离子电池硅基负极结构的应用进展[J/OL].微纳电子技术:1-9[2023-02-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1314.TN.20230113.1445.002.html
[2] 黄斐,谭栋玉,张武.静电纺丝纳米纤维及其复合材料在环境治理领域应用进展[J/OL].化工新型材料:1-8[2023-02-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2357.TQ.20230112.1446.014.html
4. 研究方案
静电纺丝装置在稳定工作状态下保持源场电压不变，所以该研究所建模型所处的物理场为一个稳态静电场。使用有限元软件对静电纺丝过程进行仿真，简化模型，主要由多针喷头，矩形接收薄板和空间域组成，加载有高压静电的多针喷头和接地的金属收集薄板是形成电场的主要因素。为了使模拟结果能够有效的反映实际状况，需要对模型中涉及的关键参数进行设置。为了进一步衡量多针头电场分布的均匀性，对模拟得到的各针尖场强数据进行分析。在相同的工作电压下，针间距越小、针上电荷间的相互排斥和干扰越强，场强被削弱也越明显。随着间距增大，针间相互作用减弱，整体场强提高，当针距增大到一-定程度时，各针接近单针电场分布，各针场强趋近一致。针间距增大，各针电场强度增大，喷头相比标准差系数减小更明显，说明针头数量更多时，场强分布对针间距变化更敏感;较小的针间距可以获得较大的射流密度，有利于批量化生产，但工作电场质量较差;较大的针间距有利于获得较大且分布均匀的工作电场但生产效率不高，因此综合考虑认为对于正六边形排列式多针喷头，针间距应 为20到30mm较好，当针数增加时，考虑到纺丝液溶剂挥发等需求，可适当选择稍大的针间距。正六边形多针喷头的电场分布中，同位针针尖场强相近且高位针针尖场强大于低位针针尖场强，高位针对内部电场有屏蔽作用。针间距增大，针间电场相互作用减小，各针尖场强随之增大，针间距增大到一定程度，各针场强分布接近单针分布。较大的针间距有利于获得场强较大且分布均匀的工作电场，但射流密度较低，不利于提高生产效率，所以应选择合适的针间距，20~30mm为宜。纺针长度增加，电场强度随之增大，对正六边形多针喷头，适当加长低位针，有利于提高低位针电场强度，均衡整体场强分布。屏蔽环对高位针的屏蔽效果更明显，选择合适直径大小的屏蔽环有利于在针尖附近形成分布均匀且集中的电场。为今后多针喷头的电场分布优化和多针静电纺丝规模化生产设备的进一步研发提供了理论和研究基础。
5. 工作计划
传统的多针纺丝喷头由于各针头间电场存在强烈的相互干扰作用，往往会造成电场分布不均匀，严重影响纺丝质量。为提高多针头静电纺丝的效率和质量，探索有效可行的多针喷头工艺改善措施，获得更均匀的电场分布，对不同针头数量的正六边形分布式多针电纺喷头的工作电场进行建模仿真分析。通过优化多针喷头结构改善其电场分布，尝试3种措施:设置不同针头间距，不等针长和不同直径屏蔽环，通过有限元分析工具对其进行仿真分析，详细阐明不同针间距下电场分布特征的变化趋势，加长中心针对电场分布均匀性的影响以及屏蔽环在均衡电场分布和集中分布范围上的作用。为实现多针头静电纺丝过程的高效稳定，也为多针头静电纺丝批量化生产的设备进一步优化展开研究。
