基于接收温度调控的 TPU 熔体静电直写可控沉积
李好义1,2 ,贾紫初2 ,徐锦龙3 ,杨卫民1,2 ,谭 晶2
(1. 北京化工大学,有机无机复合材料国家重点实验室,北京 100029;2. 北京化工大学,机电工程学院,北京 100029;3. 江苏新视界先进功能纤维创新中心有限公司,江苏,苏州 215228)
通过调控接收板温度,实现了热塑性聚氨酯材料的熔体静电直写制备。通过模拟发现,当纺丝距离为 5 mm时,接收板温度升高后,纺丝区间内温度呈线性提高,有利于减缓射流的冷却速度。通过实验探究了不同接收 板温度对熔体静电直写制备热塑性聚氨酯材料纤维直径、形貌、沉积精度以及三维网格形貌的影响。实验表明,当 接收板温度 80 ℃时,平均纤维直径与40 ℃时相比,降低了27. 7% ;当接收板温度 100 ℃时,纤维沉积误差与 60 ℃ 时相比,降低了 46. 8% ;当接收板温度为80 ~ 100 ℃时,能够制备稳定的三维纤维结构;当接收板温度为120 ℃ 时, 射流无法凝固为纤维。
热塑性聚氨酯;熔体静电直写;静电纺丝;聚合物纤维;纤维支架
1.1 模型建立与参数设定
1.1.1 有限元仿真模型建立
实际的熔体静电直写装置包括喷头、接收板、三维 运动装置、气压进料装置、静电发生器等,设备结构原 理如图 1 所示。为了简化计算,仅保留与纺丝相关的 喷头和接收板作为模拟对象。由于喷头与接收板为 轴对称结构,对喷头与接收板模型的截面进行二维 模拟。为分析喷头 - 接收板间的温度分布,可忽略 接收板温度不均匀及喷头内部的热传导过程,将接 收板简化为温度均匀的平板,喷头简化为温度一致 的整体,忽略喷头的内部结构。喷头与接收板形状 尺寸与实际设备相同,简化后的结构如图 2 所示。
3.1 接收板温度对纤维直径的影响
熔体静电直写为了实现纤维有序收集,接收板的运动速度需略大于射流速度,对纤维进行拉伸。当接收板的移动速度为10mm /min时,纤维无序沉积,并且,不产生堆积。设置纺丝电压为3.5kV,分别制备接收板温度为40、60、80、100、120 ℃下的样品,利用光学显微镜测量样品50个点的纤维直径为平均纤维直径。纤维形貌如图7a ~7e所示。当接收板温度为40 ~ 80 ℃时,纤维能够保持完整圆形截面;当接收板温度为 100 ℃时,纤维与接收板接触部分发生熔融,纤 维产生横向扩散;当接收板温度为 120 ℃时,纤维完全熔融变形,纤维间融合在一起,已经无法保持纤维形貌。由于接收板温度在100、120 ℃ 时,无法准确测量 纤维直径,对接收板温度 40、60、80 ℃下的纤维平均直径进行分析,如图 7f 所示。从图 7f 中可以看出,当接 收板温度从 40 ℃上升至 60 ℃ 时,纤维平均直径仅由约 70 μm 下降至 67 μm;当接收板温度为 80 ℃ 时,纤 维直径下降至约 50 μm,纤维直径明显变细,纤维直径 分布更为集中。这表明,接收板温度的提高减缓了射 流的冷却速度,熔体离开喷头后,流动性更佳,更有利 于射流的拉伸细化及稳定。
3.2 接收板温度对纤维沉积误差的影响
熔体静电直写纤维沉积时,受到残余电荷[15] 及纤维内应力[13] 的影响,纤维发生偏移,从而产生沉积误 差[16] 。纤维沉积误差可以通过二维网格的纤维形貌 及网格间距体现。为了探究接收板温度对纤维沉积误 差的影响,在纺丝电压 2. 5 kV,接收板温度分别为 40、 60、80、100、120 ℃的条件下,制备 1 mm 孔隙的纤维网 格进行对比。
在制备有序纤维网格之前,需要确定不同接收板温度对应的临界打印速度(CTS),CTS应大于射流速度,使纤维恰好达到拉伸状态,从而保持有序沉积。通过测试不同打印速度时的射流及纤维沉积形貌[2],得 到不同接收板温度对应的CTS 如表 2 所示。
采用数码显微镜拍摄试验样品,如图8a ~ 8e 所示。由图可知,当接收板温度40 ℃ 时,纤维沉积具有 明显的不均匀性;随着温度的升高,纤维直径更加均 匀,纤维排布更加有序。测量纤维之间的间距,取50个不同位置数据计算标准差作为纤维沉积误差(图 8f)。由图8f可知,当接收板温度为40 ℃时,由于纤维 内应力较大,纤维沉积过程不稳定,沉积误差太大,无 法进行量化研究;当接收板温度为 60 及 80 ℃时,纤维 沉积均存在较大的误差,分别为174、168. 719μm;当 接收板温度为100 ℃时,纤维沉积误差显著减小,其值 为 92. 7μm,与接收板温度为80 ℃ 时相比,纤维沉积 误差降低了 45% ;当接收板温度为120 ℃ 时,纤维偏移的平均距离逐渐降低,但是,由于温度较高,纤维形状出现了不规则现象。随接收板温度的提升,纤维沉积误差的减小有显著效果,这是由于,温度提高有利于纤维内部电荷的耗散[17] ,降低了纤维间静电力的影响;另外,温度提高后,射流冷却速度变慢,纤维沉积 时,流动性增强,内应力降低,纤维沉积误差减小。
3.3 三维网格沉积形貌
在组织工程支架等应用中,通常需要采用具有较 多孔隙或较高结构整体性的三维结构。为了探究接收 板温度对三维结构制备的影响,在接收板不同温度下, 制备纤维间距 1 mm 的多层纤维网格结构。当接收板 温度为 40 及 60 ℃时,由于纤维间粘接作用较小,无法 形成稳定的多层结构;当接收板温度为 120 ℃时,每层 纤维互相融合在一起,无法有效成型。当接收板温度 为 80、100 ℃时,制备的三维网格如图 9 所示。接收板 温度为 80 ℃时,网格层间能保持有一定孔隙,网格结 构较为疏松;当接收板温度 100 ℃时,由于射流冷却速 度变慢,沉积后缓慢固化为纤维,纤维层间紧密粘接在 一起,纤维层间的孔隙较少,形成了稳定的三维结构。作为组织工程支架使用时,层间的孔隙更加有利于细 胞的穿梭与附着,而紧密粘接的结构有利于提高力学 强度。
为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参阅《塑 料》2023 年 52 卷 第 5 期 END
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