静电屏蔽的原理及应用

静电屏蔽的原理及应用（共5篇）

静电屏蔽的原理及应用 篇1

在石化企业聚合类装置中, 普遍配置风送聚合物粉体颗粒进入料仓的设备, 聚烯烃等高聚物粉体或颗粒经风送进入料仓的过程中会产生大量静电, 往往会诱发料仓粉尘爆炸。这里, 我们简要分析一下聚烯烃粉体颗粒在风送过程中静电的产生原理和静电消除技术的应用。

1 聚烯烃粉体颗粒静电的基本分析

欧洲、日本等工业规模的实验研究已证实, 在粉体颗粒料仓内可能存在着多种形式的放电, 包括料堆表面与仓壁之间的线状或面状放电 (又称锥形放电) 、料堆表面与上方金属突出物的火花放电、仓壁粘附料的剥离放电和传播型刷型放电、金属突出物与粉尘云或散射料的雷状放电等[1]。

聚烯烃粉尘最小着火能通常在15～35MJ, 仓内频繁出现的锥形放电一般不足以引燃聚烯烃粉尘。但如果反应或脱挥单元工作不正常, 物料含挥量意外增多, 或者料仓通风不足 (包括操作失误) 等, 料仓中逸出的可燃气体增多, 与粉尘混合的最小着火能就会逐渐降低, 当混合物最小着火能小于锥形放电能量时, 就可能出现引燃和爆炸事故。以聚乙烯为例, 当乙烯气体浓度≥0.5wt%时 (约19%LEL) , 混合物最小着火能≤10MJ, 料仓中的锥形放电已存在引燃几率, 如果此时料仓中还存在其它放电现象则引燃几率更高。

2 聚烯烃风送粉体颗粒静电的起电原理及特点分析

风送粉体静电起电的机制比料仓静态粉体静电更加复杂, 不但包括“冲撞”形式的“接触—分离”起电, 还可能存在“拉丝”或“破碎”形式的“破坏起电”, 粘壁料脱落的剥离起电等综合起电现象。

普通摩擦形式的“接触—分离”起电, 应用最多的是用不同物质的位函数 (Φ) 来预测不同物质接触分离起电的大小和极性。金属与高分子固体接触起电的面电荷密度公式为:б=eDs (Φ-Φp) , 式中Φ是金属的位函数, Φp是高分子固体的位函数, Ds是表面态密度[1,2]。对风送粉体起电而言, 因存在以下的特点而增加了粉体起电的复杂性和不可预知性。

(1) 静电起电是一种表面作用的统计现象, 粉体因其表面活性的增加而使表面作用更加敏感。以湿度影响为例, 瑞士CIBA研究中心所做的实验结果说明湿度变化可以使粉体起电发生几倍, 几十倍的变化, 包括极性的变化。

(2) 工业风送粉体作业的风速大 (通常在25～50m/s) , 管壁打磨后风送粉体的起电主要以跳跃式的冲撞起电为主, 粉体起电决定于单个粉体随机冲撞起电的集合效果[2], 这与现场设备条件和风送条件有关, 不同设备条件和风送参数, 其起电量级可能存在较大差异。

(3) 管道内壁附着层的厚度也会影响粉体起电现象。当金属管线没有粉体附着层时, 粉体起电为正极性, 随着粉体附着层的增加, 起电逐渐减小, 当粉体附着层增加较多时, 出现反极性起电。该现象显然与管线中接触界面的物性变化有关:由“金属—固体粉体”接触模型变为“粉体附着层—固体粉体”接触模型[1]。

(4) 粉体冲撞过程中伴生的破坏起电, 包括破碎起电、拉丝起电等, 都属高带电过程。破坏起电虽然在宏观上是一对平衡电荷, 但在多相流迁移中因 “差速”现象而增加了粉体起电的不均匀性和连续性[2]。

3 粉体颗粒静电消除技术

为了消除风送粉体的静电, 国内外推荐的消电器曾经历了直流高压消电器、交流高压消电器、脉冲式交流消电器、双极性直流消电器等技术。它们的优缺点和适宜场所, 参见表1。显而易见, 上述几代技术均不能满足粉体场所的消电要求。

3.1 传统AC式离子风消电器

所有的研究都表明, 风送粉体的静电不但是物料负荷和速度的函数, 还受管壁附着层的厚度和气体湿度等不确定因素的影响。粉体静电起电随各种因素的变化有可能出现较大差异, 包括幅值变化和极性变化。现场调查表明, 颗粒粉体静电起电分布在±10μC/kg的大范围内, 以± (1～5) μC/kg为多。而为防止粉尘爆炸, 通常推荐的控制指标是<0.3μC/kg。如此苛刻的消电指标, 传统离子风消电器均难以达到。如国内某公司LDPE料仓曾引进过8台AC式离子风静电消除器, 消电效率不足60%, 而且使用不到一年就相继损坏, 可靠性不好。图1是该消电器在1.5m直径料仓的实验数据:没开消电器时料仓堆表面场强为-2.5kV/cm, 开启消电器时场强降到-1.5kV/cm满足不了<±1 kV/cm的安全要求。

3.2 传统DC型离子风静电消电器

实验证实, DC型离子风静电消电器比AC型消电器可以获得更高的消电效率, 但该结论只是在实验室有监测条件下使用才可以得到, 如果监控不当, 不但达不到预期效率, 甚至会出现“逆带电”现象。图2是国外某研究所最新研究资料:没开启消电器时, PP颗粒带电为-8μC/kg, 开启AC式消电器后物料带电降到-0.7μC/kg;当采用DC型消除器时物料出现逆带电, 约为0.6μC/kg, 都达不到预期要求。

3.3 非平衡式双极性离子风静电消除技术

3.3.1 实验及结论

对于粉体静电及其消除技术, 通过之前的分析可以得出如下结论:

影响粉体风送起电的因素比较多, 包括物料与牌号, 管壁的粗糙度与附着层厚度、风送速度与气固比、以及空气的湿度等, 因此不同装置, 不同设备的起电现象有时难以预测它们的大小与极性, 应以现场实测数据为依据实施消电, 也就是说, 应实现闭环控制。

另一组实验可以表明控制电压对称性对消电效果的影响, 表2是日本产业安全研究所在模拟实验装置上使用不同控制电压的静电消除技术得到的实验数据:不开消电器时系统带电约0.7μC/kg, 采用对称控制的离子风消电器, 剩余电荷约为0.15～0.18μC/kg。采取非平衡控制的离子风消电器时, 剩余电荷只有0.0042～0.05μC/kg。这个实验证实, 现场采用适时调节的非平衡式离子风消电器, 可以获得更理想的消电效果。

另外, 图3显示了国内某试验装置的双极性消电器在不同控制电压下消电效果的实验数据。该实验也表明, 非平衡式双极性消电器有更高的消电效率。

基于以上结论, 非平衡式双极性离子风静电消除技术, 也就是正负侧控制电压不对等的离子风静电消除技术, 就成为目前应用效果最理想的一种静电消除技术。另外, 由于不同粉体装置风送起电量差异较大, 为了适应不同料仓消电的苛刻要求, 先进的非平衡式离子风静电消除技术应用时还应满足以下要求:

(1) 应具备大输出电压范围, 以适应静电宽范围变化和高消电效率的潜在要求。

(2) 正负离子风喷电量必须按现场实际情况预先设置和实时闭环监控。

3.3.2 非平衡式双极性离子风静电消除技术的原理

双极性离子风消电器的消电原理如图4所示。当仪表风沿管壁相间布置的“+”、“-”高压放电针喷出时, 通过“吸附”或“电离”方式使空气离子化。这些集束式“+”、“-”离子风根据物料荷电极性和大小, 有选择的捕集物料电荷, 从而达到电中和的目的[3]。

双极性离子风消电器在选择和中和物料电荷过程中有 “自调”的功能, 但如果要达到料仓所需要的安全指标 (<0.3μC/kg) 还必须满足以下条件:由放电针和送风机构建立的“等离子区”弛豫时间要小于物料的穿越时间;放电针提供的“脉冲”电量要大于穿越区物料的电荷量; 物料穿越检测时间要大于离子流中和时间。在管线上处理高起电、高负荷物料时, 以上条件尤为重要。要满足上述要求, 仅仅靠离子流的“自 调”作用是不够的, 还必须配置剩余电荷在线监测器和正负离子流随机调节器, 也就是静电的监测和控制手段。监测器通过气动式法拉第筒电荷采集器, 实现管线物料单位质量电荷量的在线测量, 以配合控制器正负电压合理预置的需要。测量值反馈回到控制器后可以构成闭环控制, 按需实时调节正负离子风喷电量, 保证粉体静电达到<0.3μC/kg的安全指标。消电器和监测器原理参见图5。

4 非平衡式双极性离子风静电消除技术的应用、维护与设想

4.1 应用维护

以目前国内技术较成熟的DQJ-1A型一体化产品为例, 系统主要由非平衡式双极性离子风静电消除器和粉体静电在线监测器等组成。广州石化聚乙烯装置在造粒风送管线上也安装使用了同系列的设备。下面主要从维护的角度阐述一些注意要点。

(1) 消电器控制电压应根据距该消电器最近仓的监测器显示最低数据来调整;

(2) 总管线消电器应全天开机, 各仓上安装的消电器应在进料前5min开机, 停止进料5min后关机, 监测器应在需要检测时再开机。若停产检修, 应在投料前30min开消电器;

(3) 消电器正压通风腔内置“正”“负”离子发生器和电晕放电针等, 需维持通风腔内设定的压力, 故消电控制器设有失压断电保护电路, 现场处理应注意密封;

(4) 如发现消电效率下降或失效, 应断电检查放电针通风孔是否堵塞及送风压力是否正常;

(5) 为保护使用的可靠性, 可在大修期间检查和清除通风腔内可能存在的散落粉尘;

(6) 定期检查现场仪表风供气压力, 不得低于0.3MPa。

4.2 结论及静电消除技术应用方面的设想

聚烯烃装置粉体颗粒静电的产生虽然机理比较复杂, 涉及的因素较多, 但还是有规律可循的, 非平衡式双极性离子风静电消除技术就是目前效果最好的一种应用。

不过, 目前实际投用颗粒粉体消电系统绝大多数仍被视作一个单独的特殊设备。以当前的应用技术, 采用PLC作为控制器的颗粒粉体消电系统完全可以作为一套完整独立的控制系统来运行, 当车间的工艺发生变化时, 系统操作人员应可以根据工艺流程的变化, 在人机界面进行操作来选择与之相适应的消电流程。系统还可以通过RS-232、RS-422或RS485端口与DCS系统相连接, DCS系统可以把静电消除系统作为一个本身的设备来管理, 通过合理的编程组态后, 就可以使粉体静电消除系统自动地跟随粉体颗粒的输送工艺流程和不同电荷特性来进行相应灵活的消电操作。

由于采用了PLC作为粉体静电消除系统的核心, 因此系统具备了较强的网络通讯功能, 所以还可以设想建立同类系统的设备运行监测体系, 通过网络及开发相应的在线通讯及诊断软件, 对静电消除系统做定期的巡检。其目的首先在于检测静电消除设备的运行状况, 设备运行是否正常, 其次, 还可以检测用户使用时相关的操作及数据是否正确, 并实现适时指导和修正设备的运行条件, 从而大大提高静电消除系统的维护性能。

摘要：对聚烯烃装置中的粉体颗粒在风送过程中产生静电的种类、机制、原理进行分析, 并根据相关实验和统计数据阐述主要的静电消除技术, 特别讨论非平衡式离子风静电消除技术的优越性及其应用。

关键词：粉体颗粒,风送,静电,非平衡式,静电消除技术

参考文献

[1]赵择卿, 陈小立.高分子材料导电和抗静电技术及应用[M].北京:中国纺织出版社, 2006.

[2]刘尚合.静电放电及危害防护[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004.

[3]李思渊.静电感应器件——物理、工艺与实践[M].兰州:兰州大学出版社, 2001.

综合布线的屏蔽原理 篇2

作为世界布线系统的领导者, 耐克森的布线产品向全世界提供, 并可以针对不同用户的不同需要 (网络的工作频率不同, 周围的电磁环境不同) , 提供各种端到端的解决方案, 包括屏蔽, 非屏蔽以及光纤布线解决方案。在美洲, 耐克森在美国的工厂为客户提供非屏蔽方案, 而我们在欧洲则是完全的屏蔽解决方案。在中国, 耐克森会根据实际情况, 建议客户使用合适的布线系统。比如, 在某些恶劣的电磁环境中, 或对抗干扰和保密性要求高 (如政府机关, 军事设施) , 屏蔽系统将市非常适合的。以下是我们对屏蔽系统的一些认识, 希望对您们有所帮助。

1 电磁兼容的释义

采用综合布线的屏蔽原理主要考虑的就是电磁兼容。电容兼容是指的是网络系统或者是电子设备有一定程度的抵抗电磁干扰能力, 不能够产生过量的电磁辐射。这就要求网络系统或者是电子设备能够在恶劣的电磁环境当中正常工作下去, 而且还不能产生太多的电磁波来干扰其它设备的正常工作。电磁兼容能够越来越受到重视是有它的原因的。

数据通讯的速率越来越快, 从语音通讯, 数据通讯, 过渡到高质量的图像信号的传播, 局域网的速率已经从之前的10Mbps升高到100Mbps, 甚至是622Mbps。网络速率越来越高, 人们的工作频率也越来越高, 如果工作频率提高, 那么就很容易受到电磁干扰, 从而产生电磁辐射。比如电视信号在发出之前都要调整到几十赫兹到几百兆赫兹, 双绞线的近端串扰的频率约稿就会更加严重。网络工作产生的辐射随着频率的升高而加重, 这些辐射干扰了其它的系统, 给网络的犯罪埋下了伏笔。国内工作频率升高, 我们引入了电磁兼容。在欧洲, 电磁兼容有相关的法律法规以及标准, 按照欧洲的规定, 从1996年开始, 所有的设备必须要符合电磁兼容的规定, 布线系统属于无源系统, 但是, 它如果与有源的网络设备连接后, 就必须服从电磁兼容的有关规定。外界电磁环境越来越恶劣, 总是会有新的电磁干扰源出现来影响电磁环境。各种日光灯、通信系统以及各种无线电的广播系统都会产生电磁干扰, 尤其是通信系统, 它产生的电磁干扰越来越严重, 这些电磁干扰源让电磁兼容开始被人们所接受。

2 非屏蔽双绞线电缆的电磁兼容的原理

非屏蔽双绞线电缆属于平衡传输系统, 它利用扭绞来抵消电磁干扰及电磁辐射。非屏蔽双绞线只有具有理想的平衡特性才能有效地抵消电磁干扰及电磁辐射, 但是, 理想的平衡非屏蔽双绞线是不存在的, 因为:非屏蔽双绞线的平衡特性受周围环境影响。实验表明, 将非屏蔽双绞线电缆穿入25.4MM钢管中, 其衰减会增大2.5%, 说明其特性阻抗减小了, 从而表明非屏蔽双绞线受周围环境影响。弯曲也会破坏非屏蔽双绞线的平衡特性。在实际安装时, 电缆不可避免要弯曲。当电缆弯曲时, 相邻绞节将疏密不同, 不能有效抵消电磁干扰及电磁辐射。

非屏蔽双绞线的节距与电磁干扰或信号波长相比必须充分小, 才能有效地抵消电磁干扰和电磁辐射, 即节距越小, EMC性能越好。但是, 双绞线的绞结节距不可能无限减小。实验表明, 当外界电磁干扰或网络工作频率超过30MHZ时, 非屏蔽双绞线的EMC性能下降, 即网络的可靠性降低, 误码率增大, 电磁辐射也相应增大, 非屏蔽双绞线厂商的技术资料里也承认这一点。以前的网络一般工作在较低的频率范围, 如10MBPS以太网工作频率为10MHZ以内, 16MHZ令牌网的工作频率在16MHZ以内, 非屏蔽双绞线系统在这样低的工作频带内具有一定的EMC能力, 而且计算机通信具有出错重发及纠错能力, 所以网络能够在一定的电磁环境中正常工作。但是, 随着快速以太网 (100MBPS) , ATM (155MBPS, 622MBPS) 及GBPS以太网技术逐渐实用化, 网络的工作频率不断提高, 同时外界电磁干扰频率也日益提高, 非屏蔽双绞线的平衡特性已不足以抵消网络本身的电磁辐射及外界的电磁干扰。所以, 对于高速网络, 非屏蔽系统要依赖压缩编码技术, 将高速数据压缩到30MHZ以下, 如ATM155MBPS及ATM622MBPS.采用CAP16或cap64编码技术将带宽压缩到25.8MHZ。采用复杂的编码方式固然可以提高频谱利用率, 但是需要在布线系统的两端加编码及解码设备, 网络成本增加, 而抗干扰能力降低, 可靠性下降, 而且, APM论坛不支持CAP编码方式。

参考文献

[1]赵洪升, 魏延涛, 张永刚, 余巍.河南省气象局科技中心大楼计算机网络综合布线系统设计方案[J].河南气象, 2000.

[2]肖志涛, 唐红梅, 于明, 吴树国.计算机网络结构化布线系统工程方案的设计[J].计算机工程, 2001.

静电屏蔽的原理及应用 篇3

近年来,可生物降解的合成聚合物已广泛用作药物载体。生物可降解高分子药物载体按其形态可分成4类:纳米或微米微球、水凝胶、胶束和纤维支架。微球载药的药物包封率很低,并且由于表面区域庞大,容易引起药物团聚;水凝胶主要适用于亲水性药物,并且为了达到理想的溶胶-凝胶敏感性,需要进行复杂的分子设计;高分子胶束更适用于憎水性药物的负载。最近,静电纺丝纤维支架在一些生物医药领域得到了广泛应用。静电纺丝生物可降解聚酯类纳米纤维支架,可以用作亲水性和憎水性药物的载体。药物释放可以通过调节纤维支架的形态、孔隙率和组成等进行精确控制[1,2]。

聚乳酸(PLA)是一种无毒、可完全生物降解的聚合物,具有较好的化学惰性、易加工性和良好的生物相容性,不污染环境,被认为是最有发展前途的高分子材料,备受国内外关注[3]。而静电纺丝法制备的纤维直径小,具有精细程度好、孔隙率高、比表面积大、孔径小等特点,可促进细胞的迁移和增殖[4]。若在电纺材料中加入如各种细胞生长因子、药物、DNA、多肽等具有生物活性的分子,更能拓宽聚乳酸材料的应用领域[5]。因此,电纺法制备的聚乳酸及其复合材料在组织工程支架、药物控释系统、伤口敷料等领域均得到了广泛的应用。

2 静电纺丝技术的原理和发展

静电纺丝的概念可以追溯到上个世纪,在1934年Formhals[6]设计了第一套在电场力作用下纺高聚物纤维的装置,申请了世界上第一个静电纺丝的专利。随后相当长一段时间又有多项专利出现。近年来,随着对纳米材料研究的兴起,静电纺丝已经成为一种重要的纳米材料加工技术。目前,已有超过100种天然和人工合成高分子材料被成功地电纺成纳米纤维,使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[7]。

静电纺丝是高压静电场(一般在几千到几万伏)在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差,使毛细管内聚合物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体)克服自身的表面张力和粘弹性力,在喷丝头末端呈现半球状的液滴。随着电场强度增加,液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过某一临界值后,将克服液滴的表面张力形成射流(一般流速数m/s),在电场中进一步加速,直径减小,拉伸成一直线至一定距离后弯曲,进而循环或者循螺旋形路径行走,伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化,终落在收集板上形成纤维[8]。

近年来,人们试图将药物、酶、DNA等活性物质混合到电纺纤维中,取得了一些成果。但这需要两者的溶剂一致,使适用范围受限。此外,两者的简单混合可能导致活性物质仅分布在纤维表面而引起迸发释放[9]。为了克服传统电纺的不足,近期,一种新的电纺办法——同轴静电纺丝及其紧密相关的同轴射流技术,引起了人们极大的关注[10,11],并被认为是静电纺丝技术最近的三大进展之一[12]。

同轴静电纺丝的原理与传统的电纺相同,只是在装置上进行了改进。不同研究组报道的实验装置虽有差异,但原理是一样的[13]。芯质和表层材料的液体分装在两个不同的储液罐(如注射器)中。根据需要,芯质和表层液体可以分别是单一或多种聚合物溶液或熔融体、聚合物与陶瓷或金属/金属氧化物的混合溶液、药物或生长因子(芯质)等,液罐末端均连接一根内径不同的毛细管,内层毛细管套在外层毛细管内并保持同轴,两个毛细管之间根据需要留有一定的间隙,以保证外层液体能够顺利流出与芯质液体进行汇合。实验时对内外层液体施加相同或不同的高压电场,使从两个同轴但不同直径的喷管中喷出的芯质和表层材料的液体形成同心分层流。由于纺丝过程中两种液体在喷口处汇合的时间很短,加上聚合物液体的扩散系数较低,固化前不会混合到一起。在高压电场力作用下,经高频拉伸、弯曲甩动变形并固化为超细共轴复合纳米纤维,根据需要可以用不同的收集装置收集[14]。

3 聚乳酸及其复合材料的静电纺丝

随着聚乳酸在越来越多的领域得到应用,如何进一步改善纤维的结构及性能受到广大研究者的重视。静电纺丝技术的出现弥补了传统浇铸法制备的聚乳酸膜缺乏良好的多孔结构,不利于细胞与环境之间进行营养交换和新陈代谢的缺点,进一步拓展了聚乳酸的应用领域。国内外的研究者也纷纷针对静电纺丝技术在聚乳酸及其复合材料上的应用展开了一系列的研究。

赵敏丽等[15]采用静电纺丝法制备了生物降解聚乳酸(PLLA)纳米纤维无纺毡。结果表明,在PLLA质量分数为5.7%、挤出速度0.8 m L/h、接受距离15.5cm、电压8 k V的静电纺丝条件下,可制备纤维直径为200nm~400nm的PLLA纳米纤维无纺毡。

徐安长等[16]通过静电纺丝制备了直径为数微米的聚乳酸纤维构成的多孔状材料。同时发现:当以纳米级的静电纺丝素或锦纶纤维毡为基底时,可以使PLA纤维的分布均匀化,同时纤维的直径下降;经过复合后,PLA复合纤维毡承受负荷的能力得到了很大提高。

李常胜等[17]采用静电纺丝技术制备了聚乳酸(PLA)微/纳米纤维膜,并研究了其可纺性、浸润性能及结构。结果表明:以二氯甲烷为溶剂的PLA电纺丝溶液,当PLA质量分数为7%时,可纺出纤维直径为280nm~690nm的PLA微/纳米纤维膜。X光电子能谱测试表明PLA微/纳米纤维膜的表面碳氧含量比高于PLA流延膜,PIA微/纳米纤维膜的疏水性得到提高。

王曙东等[18]以聚乳酸(PLA)为原料通过静电纺丝法,以高速旋转的滚轴为收集装置制备了PLA小口径管状支架(d=4.5mm)。结果表明:随着纺丝液质量分数的增加,纤维直径增大,孔隙率减小,断裂强度提高;当滚轴转速为2000r/min时,可获得取向很好的纤维,此时,PLA管状支架的孔隙率最小,断裂强度最大,其爆破强度远高于人体正常血压;随着管壁厚度的增加,PLA管状支架的孔隙牢减小,其断裂强度及爆破强度均增加。他们又通过与以平板为收集装置制得的无规排列PLA纤维膜进行比较得到:滚轴转速对纤维取向具有较大影响,当滚轴转速为2000 r/min时可获得具有较好取向的纤维;PLA取向纤维膜的结晶度高于无规排列PLA纤维膜,前者的力学性能好于后者[19]。

为了克服聚乳酸超细纤维亲水性不足,降解周期不易控制,降解时呈酸性以及亲水性差等缺点,研究者又把眼光投向了聚乳酸的共聚物和共混物。通过对聚乳酸材料的改性来满足其在更多领域的应用。

Wan-Ju Li[20]等对利用聚乳酸-聚乙交酯共聚物制备的电纺丝纤维的研究,孔隙率达90%以上。何晨光[21]等采用静电纺丝方法制备纤维支架,考察静电纺丝的主要参数对PLGA纤维支架形貌和纤维直径的影响。当浓度为0.29/m L、流速为0.4m L/h、电场强度为1.5 k V/cm的条件下制备的PLGA纤维直径分布最窄、珠滴最少、纤维平均直径最小为330nm。

贾骏等[22]制备了胶原改性的聚羟基乙酸-聚乳酸共聚物(PLGA)电纺纳米纤维支架,并检测了其对真皮成纤维细胞生长和增殖的影响。MTT结果表明,真皮成纤维细胞在胶原接枝改性的PLGA电纺纤维表面的生长明显优于未经处理的纤维。电镜观察显示所制各的PLGA电纺纤维直径均一,呈相互连通的多孔网状结构,成纤维细胞在改性后的材料表面具有良好的生长形态。

杨立新等[23]通过高压静电纺丝制备了具有不同三醋酸甘油酯(GTA)含量的聚乳酸超细纤维毡,测试结果表明,随着GTA含量的增加,纤维之间趋于粘连,形成立体网状结构。当GTA质量分数高于50%时,水能迅速浸润纤维毡。李楠等[24]通过静电纺丝技术可以将聚乳酸-聚3羟基丁酸酯-4羟基丁酸酯和聚碳酸亚丙酯三种材料制备成微纳米纤维结构,控制制备参数可以获得不同直径的纤维,样品随着在培养液种的浸泡实际延长,总体显示出接触角比初始降低,亲水性增强。

刘森等[25]通过静电纺丝先制备聚乳酸(PLA)纤维膜,在PLA纤维膜上分别喷射不同比例的丝素-明胶纺丝液制得PLA/丝素-明胶复合纤维膜。结果表明:与丝素-明胶纤维膜相比,PLA/丝素-明胶复合纤维膜的溶失率明显下降。尺寸稳定性及柔软性得到改善,且经甲醇处理后,复合纤维膜的力学性能提高。

赵亚男等[26]通过静电纺丝法制备PELA单纺纤维膜、乳液电纺膜(E-PEO/PELA)和同轴电纺膜(C-PEO/PELA),实验结果表明电纺纤维形貌良好,E-PEO/PELA和C-PEO PELA超细纤维具有芯/壳结构。随着m PEG含量的增加,其亲水性有所提高;E-PEO/PELA和C-PEO/PELA亲水性高于PELA。E-PEO/PELA、C-PEO/PELA的弹性模量显著高于PELA的弹性模量,各电纺膜的力学性能在湿态下较干态下都有不同程度的变化。

4 聚乳酸及其复合材料的静电纺丝纤维在药物载体中的应用

静电纺丝制备的聚乳酸及其复合材料具有静电纺纤维的一般特点,如孔隙率高、比表面积大等。同时,由于聚乳酸本身良好的生物相容性和生物可吸收性,它能够与其他各种高分子材料共聚或共混后对亲水性和憎水性的药物进行负载,并获得适宜的降解周期,避免酸性降解物引起的酸性反应。所以,静电纺丝制备的聚乳酸及其复合材料在药物控释领域具有十分广阔的应用前景。

何莉等[27]将药物消炎痛通过静电纺丝制备载药PLA纤维膜。结果表明:与纯药粉的释药速率相比,载药PLA纤维膜有明显的缓释性,提高了药物的利用率及安全性。

李博等[28]担载阿霉素的可降解静电纺丝纤维毡植入小鼠H22肝癌肿瘤体内,可显著抑制肿瘤细胞的生长,导致肿瘤细胞坏死、凋亡。植入缓释系统具有可定位给药、用药次数少、长效恒释作用等优点,将抗癌药物持续缓慢释放于靶部位,提高了药物的生物利用率,加速肿瘤细胞的凋亡。

林彦等[29]以牛血清蛋白BSA为蛋白模型,以聚乳酸为载体材料,共混制得纺丝液进行静电纺丝。实验发现,包埋蛋白的纤维膜材料能够更好的起到控制释放的功效,并以此推断:通过改变纤维的形貌、控制纤维中孔洞的疏密结构来调节目标药物的渗透速度,从而达到有效地控制释放药物的目的。

费燕娜等[30]采用静电纺丝技术,分别制备了聚乳酸(PLA)质量分数为8%的纳米纤维膜及茶多酚(TP)质量分数不同的茶多酚/聚乳酸复合纳米纤维膜并测试其抗菌性能。抗菌结果表明,茶多酚/聚乳酸复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好的抗菌作用,并且随着纺丝液中TP含量的增加,抗菌性能不断提高,对金黄色葡萄球菌的抗菌效果也更好。

邹杰[31]在肝素化的聚乳酸纤维上通过肝素于b FGF之间的亲合作用,成功地在纤维上载入了b FGF。体外释放结果表明,纤维上接枝肝素的量越多、接枝肝素分子量越低,b FGF的释放速度越慢;而细胞培养液为释放介质中存在的蛋白等导致b FGF的释放稍快。通过体外细胞试验,肝素化纤维上载入b FGF的活性保持较好,释放后能有效地促进细胞的黏附、增殖和胶原的分泌。

王浩等[32]通过静电纺丝制备同时包载有布洛芬的聚乙二醇-共聚-乳酸纤维毡,并在纤维中添加月桂酸,考察月桂酸是否对纤维中药物的释放行为有影响。ESEM结果显示,得到添加有月桂酸的聚乙二醇-聚乳酸纤维药物释放体系,WAXD扫描显示纤维表面无药物结晶析出,说明其对布洛芬和月桂酸完全包封,药物体外释放表明添加月桂酸后,药物释放速率加快明显。

颜娜等[33]使用静电纺丝技术制备载不同含量盐酸四环素的聚乳酸-聚乙醇酸载药纳米纤维膜。载药纳米纤维直径为360nm~470 nm,且载药率都可以达到80%以上。载药纳米纤维膜可以有效的抑制金黄色葡萄球菌的生长但是对于MG-63细胞的黏附和增殖没有明显的不良影响。

同轴静电纺丝被广泛用于制备壳-芯型纳米纤维结构,在生物医学等领域具有广泛的潜在用途。核-壳结构的电纺丝的优势在于:首先,解决了某些不能单纺的聚合物的纳米纤维的制备难题。其次,可以获得中空结构的纳米纤维。另外,核-壳结构电纺丝可以在内层负载某些药物和生物活性因子,作为药物缓释载体及组织工程支架;此外,同轴静电纺丝技术具有一步成型的特点。

何创龙等[34]采用同轴静电纺丝技术制备了以PCL为壳层材料,脂溶性药物(白藜芦醇)和水溶性药物(硫酸庆大霉素)为芯层的双层复合纳米纤维。实验结果显示,随着聚合物的降解,芯层的药物能够平稳的释放。通过合理调节壳层材料的成分和加工参数,将能够获得理想的药物释放体系。Jiang等[35,36]证明了同轴纺丝技术可以简便地在纤维中包埋水溶性生物活性物质,并实现控制释放。王建广等[37]应用同轴静电纺丝技术成功制备了以乳酸己内酯共聚物为壳,神经生长因子和牛血清蛋白为芯的纳米纤维缓释载体,通过调整芯层溶液的流速可以控制纳米纤维的直径,并且能够保持神经生长因子的生物活性和持续释放。龙新云等[38]以水溶性药物5-FU和脂溶性药物硝苯地平为模型药物,采用同轴静电纺丝丝技术分别将其载入以PLGA为壳层材料的纤维的芯部。他们又将中药番荔素代替模型药物包埋于纤维的芯部,研究结果表明,以PLGA为壳层材料的同轴静电纺丝纤维可以实现番荔素的缓慢释放,且释放时间与释放量可以通过PLGA的相对分子质量和LA/GA的组成比来调节。Kumar[39]等对于静电核壳纤维结构对亲水性物质的控释提出了分区控制的原理。他们使用亲水性药物胃复安作为模型,通过分别改变内核和外壳的物理和化学性质实现了对其释放速度的控制。

5 结束语

利用静电纺丝技术来制备聚乳酸及其复合材料的超细纤维并将其应用于药物控释体系,是一个具有重要意义的研究领域。目前,国外熔融纺丝法制备聚乳酸纤维的工艺比较成熟,已有不少聚乳酸纤维类商品面世,如美国Cargill Dow的Ingeo纤维、日本钟纺公司的Lactron纤维、尤尼吉卡公司的Terramac纤维等。随着成本的不断降低,聚乳酸及其超细纤维的生产规模逐年扩大。

静电屏蔽的原理及应用 篇4

关键词：微梁,静电驱动,自激振动

0 引言

静电驱动器装置一般包括动力源、驱动器和输出机构, 主要通过共振状态下的机械输出来实现。但目前大部分的机械输出属于受迫振动, 自由度单一, 并需要复杂的交流电源、传动机构和反馈电路。因此大多数相关文献多集中研究于如何提高频率、增大振幅、使振动轨迹多样化。

Xiaojun Yan提出的试验装置如图1所示, 一个不连接任何电极的悬臂微梁置于一对平行板电极之间, 两平行板电极分别与直流电源的正、负极相连。施加直流电压后, 由于微梁在两极板的非正中位置, 所以受静电感应会向一侧电极倾斜;随电压增大, 倾斜程度增大;当电压增到一定程度时, 微梁会失稳并撞向电极;此时微梁带上和该电极相同的电荷, 由于同性相斥被电极弹开, 并在静电力和弹性回复力的驱动下向反方向运动;如此反复, 处于稳定的振动状态。

1 计算

在振动过程中, 微梁受重力、空气阻力和静电力, 其中静电力为驱动力并维持微梁稳定振动。当小于振动电压时, 微梁受重力、电场力和固定端支持力, 可近似利用静强度计算, 求出微梁自由端的挠度。

圆柱金属梁半径为R、长为L, 放入一对相距为D的平行电极板中, 但梁放置极板件的非正中位置, 距左极板阴极d0, 距右极板阳极d0+x, 如图1所示。使圆柱轴线与E0垂直, 以圆柱轴线上一点为原点, 轴线为z轴, 取柱坐标系, 使E0方向为φ=0, 横截面如图2所示。

为了探究圆柱梁的受电场力的情况。接通电路前, 设圆柱梁的电势为零, 通电后, 设负极始终保持电势为0, 正极为正电势U。根据静电感应, 圆柱梁上的正电荷将会在电场力的作用下运动到圆柱梁的右侧, 反之, 负电荷运动到的左侧。圆柱梁导体外的电势为外电场E0的电势ϕ0, 感应电荷的电势ϕ1的叠加。由于圆柱梁内外均不存在自由电荷的体密度, 所以圆柱梁导体外的电势函数满足拉普拉斯方程, 又由于圆柱梁为R/L→0, 认为圆柱梁是均匀无限长的, 而且均匀外电场与圆柱的轴线垂直, 所以电势与变量z无关。因此, 在圆柱坐标中, 外电场的电势为

感应电荷的电势ϕ2 (r, φ) 应与ϕ1 (r, φ) 一样按cosφ变化, 且负极电势为零, 由于导体是等势体, 所以ϕ (r, φ) 满足的边界条件为:

要满足边界条件 (b) , 式 (2.1) 中须取m=1, 且不含sin mφ项, 即C0=0, D0=0, Bm=0 (n=1, 2) ;Am=0 (n≠1) , 由此可设

由条件 (b) , 有

所以K=E0R2, 选择负电极上的点 (-d0, 0) 为电势零参考点, 即ϕ (-d0, 0) =0, 则C= (d0-R2d0-1) E0, 故两极板间的圆柱导体外电势可近似为

由 (2.4) 式得电场强度为

在柱面外靠近柱面处, r→R, 这时

于是得圆柱面上电荷量的面密度为

于是通过单位面积上的电场力计算公式

将式 (2.6) 、 (2.7) 。代入 (2.8) , 可知圆柱单位面积上所受的电场力为

在此状态下, 由式 (2.4) 可知, 微梁的感应电势ϕ (R, φ) 几乎接近正极电势U, 所以正极作用到微梁的电场力很小, 可以忽略不计, 只考虑负极一侧的电场力。为了简化计算假设微梁所受的电场力Fe的合力等效为一个集中力F合作用在梁的自由端。集中力F合大小等于梁左侧面所受分布载荷的合力值, 方向指向负极。

自由端挠度可由材料力学的挠度公式可知

由式 (2.11) 可知, 影响微梁偏移量的参数:微梁的材料属性、结构参数和电场强度。偏移量与电场强度E02和微梁长度L4成正比例关系;与弹性模量E和变径R3成反比例关系。

2 实验

为了进一步验证上述的计算结果, 进行试验验证。试验装置为悬臂等截面微梁一端固支, 一端自由, 材料为硅铝键合丝, 弹性模量为70GPa, 泊松比为0.3, 密度为2700m3/kg, 半径R为25μm, 长L为15mm。实验装置简图, 如图3所示。试验设备如下:1) 耐高压测试仪作为电源;2) 高速相机;3) 光学显微镜。

第一组, 采用间距D为18mm;第二组采用间距D为4.5mm。通过显微镜的多组测量取平均值方法, 第一组结果如图4所示的试验点拟合出的曲线, 由式 (2.11) 得出如图4所示的理论实曲线。第二组如图5所示不同间距的电压-偏移量曲线。

通过图4和图5比较得出, 间距的大小对试验的误差影响很大。产生误差的主要原因:1) 为了简化计算而假设的电极板无限小;2) 计算假设无限大的匀强电场;3) 试验误差。

3 结论

本文针对静电驱动器的自激偏移过程进行了力学分析, 开展了解析计算和试验对比, 得出以下结论:

计算出微悬臂梁在静电驱动下受电场力产生偏移量的计算公式;

针对得出偏移量的理论公式, 对比试验结果, 分析得出理论与试验之间产生误差的主要原因。

参考文献

[1]Miura H., Yasuda T., and Shimoyama I., Insectmodel based microrobot.Robotics and Autonomous Systems, 1997.21 (3) :p.317-322.

[2]Wood R.J., The first takeoff of a biologically inspired at-scale robotic insect.Ieee Transactions on Robotics, 2008.24 (2) :p.341-347.

[3]Fenelon M.A.A.and Furukawa T., Design of an active flapping wing mechanism and a micro aerial vehicle using a rotary actuator.Mechanism and Machine Theory, 2010.45 (2) :p.137-146.

[4]Curtis D.H., Reeder M.F., Svanberg C.E., Cobb R.G., and Parker G.H., Flapping Wing Micro Air Vehicle Bench Test Setup.International Journal of Micro Air Vehicles, 2012.4 (1) :p.51-78.

静电屏蔽的原理及应用 篇5

关键词：抗静电剂,种类,织物,抗静电整理

随着生活水平的提高, 消费者对舒适保健意识的增强, 纺织面料正由经济实用化向结构轻薄化、风格潮流化、使用功能化、原料多元化, 健康环保化发展[1], 于是为了适应社会化发展和人们的需求, 市场上掀起了发展各种多功能面料的浪潮。

静电作为一种自然现象在人们日常生活中无处不在, 不仅在工业和微电子业造成一定的生产损失, 而且对人体造成多方面、多角度、多层次的损害, 尤其对老弱病孕人群危害最大。因此, 抗静电织物的开发非常有必要。目前制造抗静电的纺织品已引起了世界各国的重视。

1 抗静电剂的简介

1.1 抗静电剂的起源、概念

随着高分子材料研究领域的不断开辟和生产应用, 静电问题就显得越来越突出, 在许多行业, 静电甚至成了阻碍进一步提高生产的主要矛盾。起初人们想到的是消除静电, 但共同的特点都是在静电产生之后再去消除它, 由于带电体固有的高电阻性质没有改变, 在大规模生产工艺中, 往往一条生产链需安装几个, 十几个甚至几十个静电消除器, 给生产带来诸多不变。那么对那些连续的非分散的体系来说一劳永逸的办法就是设法降低物料的绝缘性质, 即降低它们的体电阻和表面电阻, 于是在五六十年代, 各种各样的化学防静电剂运用而生。

所谓抗静电剂就是指涂敷于材料表面或掺和在材料内部, 以减少静电积累的化学助剂。

1.2 抗静电剂的种类、基本结构及性质

按照抗静电的耐久性, 抗静电剂分为暂时性抗静电剂和耐久性抗静电剂;按照抗静电剂的结构特征其可分为:无机盐类、表面活性剂、无机半导体、电解质高分子成膜物类和有机半导体高聚物等。下面重点介绍表面活性剂抗静电剂。

表面活性剂抗静电剂按分子中的亲水基能否电离, 以及离子化特征又可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型。

1) 阴离子型抗静电剂

阴离子型种类很多, 如:

(1) 酯肪族磺酸盐:通式为R-SO3Na;

(2) 高级醇硫酸酯盐:通式为ROSO3Na;

(3) 高级醇环氧乙烷加成物硫酸酯盐:通式为RO (CH2CH2O) n SO3Na;

(4) 高级醇砱酸酯盐:通式为ROPO3Na;

(5) 高级醇环氧乙烷加成物磷酸酯盐:通式为RO (CH2CH2O) n PO3Na。

阴离子型抗静电剂制造工艺简单, 价格便宜, 腐蚀性小, 吸湿性强, 一般1/1000左右的量就可以达到消除静电的效果。不少纺织工业中使用这种抗静电剂。

2) 阳离子型抗静电剂

阳离子型抗静电剂主要包括铵盐、季铵盐、烷基氨基酸盐等。其中季铵盐最为重要, 其抗静电性能优良, 对高分子材料有较强的附着力, 广泛用作纤维和塑料的抗静电剂。

3) 两性型抗静电剂

两性抗静电剂主要是指在分子结构中同时具有阴离子亲水基和阳离子亲水基这样一类的离子型抗静电剂。其最有代表性的是甜芳碱型, 通式为:

这类抗静电剂最突出的优点是它的溶解性不受溶液p H值的限制, 其电荷性随p H值的不同而呈阳荷性或阴荷性, 对树脂的附着力较强, 抗静电效果显著, 但价格也相对比较贵。

4) 非离子型抗静电剂

非离子表面活性剂主要包括多元醇类和聚氧化乙烯醚两大类。非离子表面活性剂是靠醚链或羟基作为亲水基团的, 其抗静电性能比离子型表面活性剂差, 但它的化学稳定性好, 没有腐蚀作用, 而且价格低廉, 所以使用场合较广泛。

2 抗静电剂的选择要素

目前纺织业用途最广、消费量最大的纺织制品如涤纶、腈纶、丙纶及棉涤、毛涤混纺等各种合成纤维, 这些面料各具特色, 具有许多优异于天然纤维的性能, 但这些化纤织物极易产生静电, 严重影响了其舒适度和使用领域, 必须要对其进行后期抗静电整理。

抗静电剂种类很多, 常用的抗静电剂有抗静电剂C、抗静电剂MCS-20、抗静电剂TM, 汉高1166、PPT、ARW等[1]。对抗静电剂的选择既要考虑其时效性、持久性, 也要考虑对织物整体弹性、柔软性、抗灰尘沾污性能及色牢度的影响, 其中抗静电剂的性能指标主要应满足[2]:

1) 具有吸湿性强的有机物质;

2) 能够形成良好的导电连续膜, 稳定性好 (高温不分解) ;

3) 具有吸附性和定向的表面活性剂;

4) 对染料的染色牢度、光度无影响或影响很小, 不吸灰, 无色无味, 对身体无伤害。

在纺织品的抗静电剂整理中不仅要对抗静电剂进行严格的筛选, 还要充分考虑成分的配比度等工艺的合理性, 这样才能制作出令人满意的产品。

3 纺织抗静电剂研究展望

对于后整理用抗静电剂, 其使用方法主要是通过抗静电剂溶液在纤维表面浸泡或涂敷[3]。抗静电作用主要取决于抗静电剂在表面的电导率和吸湿性。这种方法处理的抗静电剂在纤维表面的结合牢度不够, 难以保持永久的抗静电效果。

目前抗静电剂的发展有以下趋势:

1) 开发耐久性抗静电剂。研究人员在研究外用抗静电剂的同时也对内用抗静电剂做了大量的研究, 但外用抗静电剂凭借其灵活的使用方法和优良的抗静电效果仍然有很大的发展空间;

2) 利用新技术开发新型助剂。运用纳米科技的最新成果, 将纳米颗粒保持在更小尺度上, 通过一定方式使颗粒像染料一样进入纤维无定形区从而提高耐久性。一种新型的纳米抗静电织物整理剂纳米锑掺杂二氧化锡应用于涤纶织物仪取得了良好的效果;

3) 开发环保型和多功能型抗静电剂。

4 结论

随着科学技术的进步, 智能材料将不断发展, 不论从普通衣料还是工业特殊需求方面, 功能单一型材料将不能满足市场需要, 开发性能优良、绿色环保的多功能配套助剂将是助剂发展的必然方向。抗静电纤维作为智能材料的主要品种之一, 必将在材料领域取得越来越重要的地位[4]。

参考文献

[1]杨海军, 曹秀明, 陈丽芬.抗静电面料开发浅谈[J].上海毛麻科技, 2006 (1) :36.

[2]蒋少军.抗静电织物的开发和应用[J].江苏纺织, 2002 (9) :44.

[3]张治国, 尹红, 陈志荣.纤维后整理用抗静电剂研究进展[J], 2004 (3) :122.