外加能量场辅助纺丝技术研究
发布时间：2021-06-28 08:14
由于纳米纤维具有比表面积大、孔隙小等许多独特的优良性能,在纺织、服装等传统领域和组织工程、生物工程、航空航天等高科技领域得到广泛应用。随着科技的不断发展,人们对纳米纤维的需求量和性能的要求也越来越高,引起了学者们对纳米纤维制备技术的研究热潮。但目前纳米纤维制备的效率低下,纤维性能不稳定,无法满足工业应用的需求。有鉴于此,本文选取静电纺丝和微流纺两种典型的纺丝工艺,运用理论与实践相结合的方法,研究外加能量场（振动场和磁场）对纺丝过程中纺丝液流变性能和拉伸成丝过程的影响,探索提高纳米纤维制备效率和纤维质量的工艺方法。首先,本文研究了超声振动对PAN/DMF纺丝液流动性能及静电纺丝工艺的影响,实验发现:当频率小于20kHz时,振动对PAN/DMF纺丝液的粘度几乎没有影响;当频率超过20kHz时,振动显著降低了PAN/DMF纺丝液的粘度;当频率为21kHz时,粘度的下降率高达29%。利用振动处理后的PAN/DMF纺丝液进行静电纺丝实验,制备纤维的平均直径减小了39%。其次,采用解析法得到静电纺丝制备纤维过程中电场强度和电场力的表达式,并利用ANSYS软件分析静电纺丝过程中电场强度的分布规律;建...
【文章来源】：武汉纺织大学湖北省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天然纤维
3纳米纤维的研究热点。目前，静电纺丝制备纳米纤维是最简单、方便及有效的方法之一。其装置主要是由挤出泵、喷丝头、接收装置、高压电源装置四部分组成，如图1.2所示。喷丝头处接正电压，接收装置处接负电压，喷丝头与接收装置之间形成了高压静电场，纺丝液在挤出泵推力的作用下，将纺丝液推到喷丝口处；在电场力、表面张力、黏弹力等力的共同作用下，纺丝液液滴形成泰勒锥；当电场力足够大时，电场力克服了纺丝液液滴的表面张力和黏弹力等力，形成泰勒锥，从泰勒锥的锥顶射出，使喷射流被不断的拉伸细化，溶剂挥发，最后沉积在接收装置上，形成纤维[17-18]。喷射流在运动过程中的轨迹主要可分为以下三个阶段：第一，喷射流进入稳定阶段，在静电纺丝制备纤维的过程中，由于喷丝头处直接接正高压电，以至于喷丝头处的电场强度最大，从喷丝头处挤出的带电液滴此时有最大电场力，带电液滴将开始做加速直线运动；第二，喷射流进入不稳定阶段，随着喷射流距离接收装置的位置越来越近，电场力逐渐减小，电场力将不足以克服纺丝液的粘弹力，喷射流中带电电荷产生斥力，使喷射流运动轨迹的螺旋环直径不断增大；第三，喷射流进入次级不稳定阶段，喷射流经过两个阶段之后接近接收装置，喷射流所受到的电场力几乎为零，喷射流主要受到电荷与电荷之间的相互斥力，使喷射流在此阶段形成很小的螺旋环[19]。如图1.3，为喷射流的全部运动轨迹。随着科学技术的不断发展进步，人们对纳米纤维的认识更加全面，研究静电纺丝制备纳米纤维的学者也越来越多。目前，大部分学者们主要是从以下几个方面研究静电纺丝制备纳米纤维，主要包括对纺丝液性质的研究、改变喷射流运动轨迹的过程条件和环境因素等方面[20]。图1.2静电纺丝原理图
4图1.3喷射流的运动轨迹图[19]1.2.2振动辅助静电纺丝工艺的研究现状近十几年里，静电纺丝技术迅速发展，大部分研究者们集中研究纺丝液的配制、工艺参数和喷射流的运动过程等方面，对高浓度纺丝液进行静电纺丝的可纺性和力学性能等方面的研究提及较少[21]。高浓度的纺丝液不仅能够较好地提高纳米纤维的制备效率，也有利于提高所纺纤维的力学性能，曹琴琴[22]等人的研究表明静电纺丝制备纤维的强度随着纺丝液的浓度或粘度的增大而提高，但因静电纺丝工作原理的限制，其主要限制了高浓度纺丝液的粘度，粘度越大，流动性越小，需要极高的电场力才能将纺丝液液滴拉伸成丝，而且高浓度纺丝液在做静电纺丝实验过程中，纺丝液容易在喷丝口挥发固化，从而无法进行正常的连续纺丝，产生这一工艺缺陷的根本原因是高浓度纺丝液的粘度过大，纺丝液的流动性小，拉伸成丝需要更高的电场力。为了克服这一困难，学者们想到了利用振动降粘理论，通过给纺丝液施加振动，使纺丝液里的剪切速率增大，在其内部聚集巨大的声场能量，导致纺丝液的粘度、流动性、电导率及表面张力等纺丝液的性质都发生了改变[23]，从而提升了高浓度纺丝液的可纺性和纤维的性能。目前，国内外研究学者针对振动场对静电纺丝制备纤维工艺的影响，展开了初步的研究[24]，江南大学的何吉欢等人在2006年申请了一项关于制备纳米纤维的振动辅助静电纺丝装置[25]的专利，如图1.4所示。该装置的工作原理是当超声波发生器工作时，它将振动频率传给压电传感器，使纺丝液液面振动，形成连续有一定规律的波峰凸起，纺丝液中带电电荷在电场力的作用下，被极化集中在液面凸起的顶端，形成了泰勒锥。当电场力达到一定值后，纺丝液开始被拉伸细化，最终沉积在接收装置上，形成纤维。江南大学的
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控纺丝及其在生物质纤维开发中的应用[J]. 陈子阳,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(04)
[2]声波振动对聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液流动性能的影响[J]. 吴晓,钱慧,陈梓昶,汤清伦,韦炜. 工程塑料应用. 2019(08)
[3]多功能纳米纤维微流体纺丝技术及其应用研究进展[J]. 崔婷婷,刘吉东,解安全,程恒洋,杜湘云,胡霞红,陈苏. 纺织学报. 2018(12)
[4]超声空化技术在化工领域的应用研究进展[J]. 程效锐,张舒研,房宁. 应用化工. 2018(08)
[5]静电纺丝制备多孔纳米纤维的研究进展[J]. 刘照伟,汤玉斐,赵康. 中国材料进展. 2018(06)
[6]磁场对电纺聚丙烯腈纤维聚集态结构和性能的影响[J]. 梅林玉,成博,刘峰,王俊元. 化工新型材料. 2018(05)
[7]超声波降解油田含聚污水研究进展[J]. 王泉,祝宏平,李洁冰,贾晓春. 声学技术. 2018(02)
[8]稠油采出液超声波降粘实验研究[J]. 华强,谭冬寒,田世澄,胡永乐,陈来成. 科技通报. 2018(02)
[9]磁场辅助静电纺丝制备Fe3O4/PVA纳米纤维[J]. 孟剑云,鹿业波,左春柽,黄风立. 微纳电子技术. 2017(10)
[10]静电纺丝制备纳米纤维的影响因素研究进展[J]. 杨豆,张卫波,刘锰钰,张永鑫. 合成技术及应用. 2017(01)
博士论文
[1]高压静电纺丝机设计及静电场优化研究[D]. 段宏伟.东北林业大学 2008
[2]引入磁场的静电纺丝技术及其对非稳态流动控制机理的研究[D]. 吴玥.东华大学 2008
[3]静电纺丝过程行为及振动静电纺丝技术研究[D]. 万玉芹.东华大学 2006
硕士论文
[1]高浓度PAN/DMSO溶液干湿法纺丝工艺研究[D]. 杜尉丰.东华大学 2014
[2]磁场辅助静电纺丝制备PVP有序纳米纤维的研究[D]. 高艳芳.中北大学 2014
本文编号：3253963
【文章来源】：武汉纺织大学湖北省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天然纤维
3纳米纤维的研究热点。目前，静电纺丝制备纳米纤维是最简单、方便及有效的方法之一。其装置主要是由挤出泵、喷丝头、接收装置、高压电源装置四部分组成，如图1.2所示。喷丝头处接正电压，接收装置处接负电压，喷丝头与接收装置之间形成了高压静电场，纺丝液在挤出泵推力的作用下，将纺丝液推到喷丝口处；在电场力、表面张力、黏弹力等力的共同作用下，纺丝液液滴形成泰勒锥；当电场力足够大时，电场力克服了纺丝液液滴的表面张力和黏弹力等力，形成泰勒锥，从泰勒锥的锥顶射出，使喷射流被不断的拉伸细化，溶剂挥发，最后沉积在接收装置上，形成纤维[17-18]。喷射流在运动过程中的轨迹主要可分为以下三个阶段：第一，喷射流进入稳定阶段，在静电纺丝制备纤维的过程中，由于喷丝头处直接接正高压电，以至于喷丝头处的电场强度最大，从喷丝头处挤出的带电液滴此时有最大电场力，带电液滴将开始做加速直线运动；第二，喷射流进入不稳定阶段，随着喷射流距离接收装置的位置越来越近，电场力逐渐减小，电场力将不足以克服纺丝液的粘弹力，喷射流中带电电荷产生斥力，使喷射流运动轨迹的螺旋环直径不断增大；第三，喷射流进入次级不稳定阶段，喷射流经过两个阶段之后接近接收装置，喷射流所受到的电场力几乎为零，喷射流主要受到电荷与电荷之间的相互斥力，使喷射流在此阶段形成很小的螺旋环[19]。如图1.3，为喷射流的全部运动轨迹。随着科学技术的不断发展进步，人们对纳米纤维的认识更加全面，研究静电纺丝制备纳米纤维的学者也越来越多。目前，大部分学者们主要是从以下几个方面研究静电纺丝制备纳米纤维，主要包括对纺丝液性质的研究、改变喷射流运动轨迹的过程条件和环境因素等方面[20]。图1.2静电纺丝原理图
4图1.3喷射流的运动轨迹图[19]1.2.2振动辅助静电纺丝工艺的研究现状近十几年里，静电纺丝技术迅速发展，大部分研究者们集中研究纺丝液的配制、工艺参数和喷射流的运动过程等方面，对高浓度纺丝液进行静电纺丝的可纺性和力学性能等方面的研究提及较少[21]。高浓度的纺丝液不仅能够较好地提高纳米纤维的制备效率，也有利于提高所纺纤维的力学性能，曹琴琴[22]等人的研究表明静电纺丝制备纤维的强度随着纺丝液的浓度或粘度的增大而提高，但因静电纺丝工作原理的限制，其主要限制了高浓度纺丝液的粘度，粘度越大，流动性越小，需要极高的电场力才能将纺丝液液滴拉伸成丝，而且高浓度纺丝液在做静电纺丝实验过程中，纺丝液容易在喷丝口挥发固化，从而无法进行正常的连续纺丝，产生这一工艺缺陷的根本原因是高浓度纺丝液的粘度过大，纺丝液的流动性小，拉伸成丝需要更高的电场力。为了克服这一困难，学者们想到了利用振动降粘理论，通过给纺丝液施加振动，使纺丝液里的剪切速率增大，在其内部聚集巨大的声场能量，导致纺丝液的粘度、流动性、电导率及表面张力等纺丝液的性质都发生了改变[23]，从而提升了高浓度纺丝液的可纺性和纤维的性能。目前，国内外研究学者针对振动场对静电纺丝制备纤维工艺的影响，展开了初步的研究[24]，江南大学的何吉欢等人在2006年申请了一项关于制备纳米纤维的振动辅助静电纺丝装置[25]的专利，如图1.4所示。该装置的工作原理是当超声波发生器工作时，它将振动频率传给压电传感器，使纺丝液液面振动，形成连续有一定规律的波峰凸起，纺丝液中带电电荷在电场力的作用下，被极化集中在液面凸起的顶端，形成了泰勒锥。当电场力达到一定值后，纺丝液开始被拉伸细化，最终沉积在接收装置上，形成纤维。江南大学的
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控纺丝及其在生物质纤维开发中的应用[J]. 陈子阳,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(04)
[2]声波振动对聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液流动性能的影响[J]. 吴晓,钱慧,陈梓昶,汤清伦,韦炜. 工程塑料应用. 2019(08)
[3]多功能纳米纤维微流体纺丝技术及其应用研究进展[J]. 崔婷婷,刘吉东,解安全,程恒洋,杜湘云,胡霞红,陈苏. 纺织学报. 2018(12)
[4]超声空化技术在化工领域的应用研究进展[J]. 程效锐,张舒研,房宁. 应用化工. 2018(08)
[5]静电纺丝制备多孔纳米纤维的研究进展[J]. 刘照伟,汤玉斐,赵康. 中国材料进展. 2018(06)
[6]磁场对电纺聚丙烯腈纤维聚集态结构和性能的影响[J]. 梅林玉,成博,刘峰,王俊元. 化工新型材料. 2018(05)
[7]超声波降解油田含聚污水研究进展[J]. 王泉,祝宏平,李洁冰,贾晓春. 声学技术. 2018(02)
[8]稠油采出液超声波降粘实验研究[J]. 华强,谭冬寒,田世澄,胡永乐,陈来成. 科技通报. 2018(02)
[9]磁场辅助静电纺丝制备Fe3O4/PVA纳米纤维[J]. 孟剑云,鹿业波,左春柽,黄风立. 微纳电子技术. 2017(10)
[10]静电纺丝制备纳米纤维的影响因素研究进展[J]. 杨豆,张卫波,刘锰钰,张永鑫. 合成技术及应用. 2017(01)
博士论文
[1]高压静电纺丝机设计及静电场优化研究[D]. 段宏伟.东北林业大学 2008
[2]引入磁场的静电纺丝技术及其对非稳态流动控制机理的研究[D]. 吴玥.东华大学 2008
[3]静电纺丝过程行为及振动静电纺丝技术研究[D]. 万玉芹.东华大学 2006
硕士论文
[1]高浓度PAN/DMSO溶液干湿法纺丝工艺研究[D]. 杜尉丰.东华大学 2014
[2]磁场辅助静电纺丝制备PVP有序纳米纤维的研究[D]. 高艳芳.中北大学 2014
本文编号：3253963
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3253963.html
最近更新
教材专著
