【摘要】：靜電紡絲法是利用電場力來制備高聚物的納米纖維的新型紡絲法。具體來講,通過給聚合物溶液施加一定的高壓靜電,在噴頭和收集裝置中間產(chǎn)生一個(gè)高壓的電場。當(dāng)電場力足夠大時(shí),紡絲液克服表面張力產(chǎn)生射流,溶液在射流運(yùn)動(dòng)中蒸發(fā)并固化最終形成納米纖維。這種單針頭靜電紡絲法由于產(chǎn)量太低,很難滿足產(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此,本文設(shè)計(jì)了一種通用圓盤式靜電紡絲噴頭,其特點(diǎn)在于利用紡絲液在噴頭上形成的自由液面的弧面處電場強(qiáng)度最大的特點(diǎn),在噴頭各處同時(shí)可以產(chǎn)生多股射流,靜電紡絲的效率也就因此提高了。靜電紡絲所采用的高聚物溶液屬于不可壓縮粘性流體,射流運(yùn)動(dòng)更是十分復(fù)雜,因此要分析無針頭靜電紡絲射流的運(yùn)動(dòng),涉及許多流體力學(xué)和電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí)。本文首先建立自由液面靜電紡絲的微波力學(xué)模型,從流體力學(xué)中的N-S方程出發(fā),結(jié)合電磁學(xué)相關(guān)理論知識(shí)分析了射流產(chǎn)生的機(jī)理,分析得出了波動(dòng)波長與表面張力和所加電場的關(guān)系。同時(shí)分別對(duì)射流穩(wěn)定段和不穩(wěn)定段分別進(jìn)行了受力分析,得到射流半徑與相關(guān)距離的關(guān)系。本文提出了通用圓盤式靜電紡絲噴頭的設(shè)計(jì),靜電紡絲噴頭和射流區(qū)域的電場分布是影響射流形成和運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。這里采用電磁學(xué)數(shù)值模擬軟件Ansoft Maxwell 12分析噴頭和射流區(qū)域的電場分布,進(jìn)而分析電場強(qiáng)度對(duì)射流形成的影響,研究表明每一層噴頭上的聚合物溶液的弧面邊緣處電場最強(qiáng),并通過模擬不同的噴頭層數(shù)和層高的噴頭的電場分布,對(duì)比分析影響靜電紡絲纖維的各項(xiàng)參數(shù)。由于靜電紡絲射流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,未知參數(shù)過多,實(shí)驗(yàn)難度較大,因此先采用Fluent2.3.26軟件模擬出靜電紡絲射流的運(yùn)動(dòng)形態(tài),這樣可以簡明直觀地得到牽伸力和纖維品質(zhì)之間的關(guān)系。本文建立通用圓盤式靜電紡絲噴頭上自由液面靜電紡絲射流的物理模型,并進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明隨著牽伸力的減小,射流數(shù)量更多,更易發(fā)生彎曲,拉伸更充分,形成的纖維也更好。最后通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的靜電紡絲實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證第二章理論和第四章模擬得到的相關(guān)結(jié)論。采用PAN水溶液加在設(shè)計(jì)的通用圓盤式靜電紡絲噴頭上,在靜電紡絲機(jī)上加載電壓進(jìn)行試驗(yàn)。并通過改變?nèi)芤簼舛�、電壓大小等參�?shù),分析比較紡絲過程中的射流形態(tài)。再將不同組實(shí)驗(yàn)的納米纖維在電鏡下觀察,分析纖維在數(shù)量、直徑等參數(shù)之間的區(qū)別。最后綜合理論、模擬和實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。
【圖文】：

包括了高壓電源、注射器、計(jì)量泵和接收屏等[ 9 ]。圖 1.1 單針頭靜電紡絲原理示意圖1.1.3 靜電紡絲的技術(shù)發(fā)展早在1934年Formhals[10]發(fā)明了靜電紡絲法并申請(qǐng)了相關(guān)專利。該專利提到，將高聚物紡絲溶液放在一個(gè)高壓電場內(nèi)，其中一個(gè)電極和高聚物紡絲溶液相連，另一個(gè)則與收集裝置相連，溶液被拉伸后再收集裝置上形成納米纖維。后來Drozin[11]利用 Vonneguth[12]等人發(fā)明了一種離子化裝置，在高壓靜電下，使不同的溶液分散形成氣溶膠。20 世紀(jì) 60 年代，Simons[13]提出了通過靜電紡絲法來獲得超輕超薄無紡布的方法。Baumgarten[14]在 1971 年將聚合物溶液加入毛細(xì)管中，成功制得直徑小于 1μm 的丙烯酸纖維，同時(shí)對(duì)纖維的各項(xiàng)參數(shù)和溶液對(duì)纖維的影響做了進(jìn)一步的研究。再后來，Larrondo[15]等人對(duì)聚乙烯和聚丙烯溶液制得的連續(xù)纖維進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其分子取向度與傳統(tǒng)制法得到的纖維大致相同，并用力學(xué)測試方法對(duì)分子的拉伸性進(jìn)行了深入探索。二十世紀(jì)末，Doshi[16 ]發(fā)明了利用水溶性聚氧乙烯溶液制備直徑范圍在0.05-5μm 的納米纖維的方法。Chun[17]則在對(duì)苯二甲酸乙二醇脂溶液制得的納米纖維做了許多電鏡和顯微鏡觀察，，使得靜電紡絲在微觀領(lǐng)域的研究進(jìn)一步深化。Srinivasan[18]針對(duì)多種芳香聚酞胺溶液制得納米纖維

單針頭多射流靜電紡絲噴頭示意
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O441.1;O358

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本文編號(hào)：2554009