溶液喷射纺丝技术制备纳米纤维工艺探索及应用研究
发布时间：2021-09-22 01:48
如今,纳米科技是关注度较高的前沿技术之一,纳米技术也飞速发展,纳米材料因其具有独特的性质和性能成为了高性能材料的研究热门方向;纳米纤维因其高比表面积,孔隙率,柔性等特点在能源材料,医学敷料,仿生皮肤和传感器等领域得到广泛应用。纳米纤维的制备技术也获得了很大的发展,微纳米纤维制备不再局限于一种方法。溶液喷射纺丝制备微纳米纤维技术因为其工艺简单,对前驱体溶液的宽容性,获得了一定了关注。本文在第二章介绍了溶液喷射纺丝的原理和机理,并组装了溶液喷射纺丝装置,采用多种高分子聚合物为对象,探索研究了溶液喷射纺丝制备纳米纤维过程中相关因素对纤维形貌的影响。通过观察纤维形貌可知:前驱体溶液在高速气流的剪切和牵引拉伸下在喷嘴口和接收装置之间分流细化,溶剂挥发固化成纤维。这个过程非常复杂,各个因素相互影响作用,前驱体溶液的浓度,纺丝距离,推进速率,溶剂的选择都有一定的影响。第三章是根据在溶液喷射纺丝工艺探究的过程中确定了溶液喷射纺PVDF纳米纤维膜的合适溶剂比和浓度。利用溶液喷射纺丝技术制备了纳米发电机的核心部位。同时,选择PVA/PEDOT:PSS导电复合纳米纤维膜和铝箔作为电极,证明了纳米发电机的电极...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
静电纺丝原理图[48]
青岛大学硕士学位论文5图1.3不同溶剂下20%（w/v）PS溶液获得纳米纤维的SEM：（a）THF,（b）CHCl3,（c）DMF，纺丝电压为15kV，纺丝距离为10cm，推进速率为1mlh-1[51]。不同粘度溶液制备纳米纤维的SEM形貌:（d）74cps,（e）289cps,（f）527cps[49]。传统的静电纺聚合物纳米纤维有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚醋酸乙烯酯（PVA）等[49，51]。除了单组分纳米纤维外，还可以通过静电纺丝制备含有聚合物和其他组分的复合纳米纤维，如金属、金属氧化物、陶瓷和碳材料[52，53]等。利用混合溶液或多通道静电纺丝方法可以制备混合纳米纤维。多组分电纺纳米纤维的发展使纳米纤维的组成、结构和功能多样化，核壳纳米纤维是由同轴喷嘴制备的一种纳米纤维[15，54]。通常，静电纺纳米纤维被收集成随机排列结构的非织造膜，通过优化静电纺丝设备（例如：收集极的运动和电场的方向），可以将纳米纤维排列在两个平行的紧密间隔的衬底上，或者通过高速旋转的滚筒收集纳米纤维（如图1.4所示）[55-57]。尽管静电纺丝有很多优点，但这项技术仍面临许多挑战。由于静电纺丝的驱动力是电场力，所以在静电纺丝设备中高压是必须的，是危险的来源之一。在多针静电纺丝的情况下，平行针头之间的电场相互影响，难以集成。此外，尽管与传统的生产方法相比，静电纺丝具有很高的工业生产特点，但其纤维生产效率较低，这是该技术的最大局限性[58]。静电纺丝中溶剂的介电常数要求，阻碍了高盐溶液的利用静电纺丝技术制备[59]，为了进一步改进纳米纤维纺丝技术，需要采用其他方法来制备这些材料。
青岛大学硕士学位论文6图1.4几种电纺支架形成各种纤维组件的原理图:（a）旋转的滚筒,（b）平行电极,（c）旋转线型滚筒收集器,（d）金属线缠绕在滚筒上,（e）滚筒在刀行电极上，（f）刀形电极,（g）磁盘收集器,（h）四面对立电极,（i）滚筒内有一个大头针,（j）刀形电极放置一排,（k）环收集器平行放置,（l）多针头[60]。1.3.2溶液喷射纺丝技术溶液喷射纺丝（简称“SBS”）是一种以高速气体为驱动力，而不是以高电场为驱动力的纤维生产技术。它不像静电纺丝那样受到广泛关注，与静电纺丝相比，溶液喷射纺丝的工作量明显减少。如图1.5所示，该设备还包括三个部分，一个高速气体供应，一个喷嘴，和一个收集器[29]。喷嘴是同心的，前驱体溶液由推进泵送入内喷丝管，而恒定的高速气流由外喷嘴喷出[35，37]。根据流体力学原理，压力的变化转化为喷嘴尖端的动能，产生一种推动前驱体溶液加速的驱动力。高速气体还会形成气体-溶液界面的剪切，使内部溶液喷嘴变形为锥形。前驱溶液被加速的气体拖拽，拉长成和泰勒锥类似的几何形状，从喷嘴飞向空中。在飞行过程中，由于高的表面体积比，溶液射线的溶剂迅速蒸发，在附着到基板之前形成了纳米纤维。气体压力大小对形成纤维的直径有显著的影响。通常，较高的气流速度会产生较细的纳米纤维。在气流速度和溶液推进速率之间有一个平衡，这是成功的喷射纺丝所必需的[61]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]静电复印纸用于喷墨打印的品质控制和工艺改善[J]. 陈国平,李长荣. 中华纸业. 2010(04)
[2]纳米纤维及其制造方法[J]. 王德诚. 合成纤维工业. 2004(01)
[3]聚偏氟乙烯取向膜在拉伸过程中的晶相变化[J]. 赵勇,陈晔,杨德才. 应用化学. 1993(02)
本文编号：3402895
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
静电纺丝原理图[48]
青岛大学硕士学位论文5图1.3不同溶剂下20%（w/v）PS溶液获得纳米纤维的SEM：（a）THF,（b）CHCl3,（c）DMF，纺丝电压为15kV，纺丝距离为10cm，推进速率为1mlh-1[51]。不同粘度溶液制备纳米纤维的SEM形貌:（d）74cps,（e）289cps,（f）527cps[49]。传统的静电纺聚合物纳米纤维有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚醋酸乙烯酯（PVA）等[49，51]。除了单组分纳米纤维外，还可以通过静电纺丝制备含有聚合物和其他组分的复合纳米纤维，如金属、金属氧化物、陶瓷和碳材料[52，53]等。利用混合溶液或多通道静电纺丝方法可以制备混合纳米纤维。多组分电纺纳米纤维的发展使纳米纤维的组成、结构和功能多样化，核壳纳米纤维是由同轴喷嘴制备的一种纳米纤维[15，54]。通常，静电纺纳米纤维被收集成随机排列结构的非织造膜，通过优化静电纺丝设备（例如：收集极的运动和电场的方向），可以将纳米纤维排列在两个平行的紧密间隔的衬底上，或者通过高速旋转的滚筒收集纳米纤维（如图1.4所示）[55-57]。尽管静电纺丝有很多优点，但这项技术仍面临许多挑战。由于静电纺丝的驱动力是电场力，所以在静电纺丝设备中高压是必须的，是危险的来源之一。在多针静电纺丝的情况下，平行针头之间的电场相互影响，难以集成。此外，尽管与传统的生产方法相比，静电纺丝具有很高的工业生产特点，但其纤维生产效率较低，这是该技术的最大局限性[58]。静电纺丝中溶剂的介电常数要求，阻碍了高盐溶液的利用静电纺丝技术制备[59]，为了进一步改进纳米纤维纺丝技术，需要采用其他方法来制备这些材料。
青岛大学硕士学位论文6图1.4几种电纺支架形成各种纤维组件的原理图:（a）旋转的滚筒,（b）平行电极,（c）旋转线型滚筒收集器,（d）金属线缠绕在滚筒上,（e）滚筒在刀行电极上，（f）刀形电极,（g）磁盘收集器,（h）四面对立电极,（i）滚筒内有一个大头针,（j）刀形电极放置一排,（k）环收集器平行放置,（l）多针头[60]。1.3.2溶液喷射纺丝技术溶液喷射纺丝（简称“SBS”）是一种以高速气体为驱动力，而不是以高电场为驱动力的纤维生产技术。它不像静电纺丝那样受到广泛关注，与静电纺丝相比，溶液喷射纺丝的工作量明显减少。如图1.5所示，该设备还包括三个部分，一个高速气体供应，一个喷嘴，和一个收集器[29]。喷嘴是同心的，前驱体溶液由推进泵送入内喷丝管，而恒定的高速气流由外喷嘴喷出[35，37]。根据流体力学原理，压力的变化转化为喷嘴尖端的动能，产生一种推动前驱体溶液加速的驱动力。高速气体还会形成气体-溶液界面的剪切，使内部溶液喷嘴变形为锥形。前驱溶液被加速的气体拖拽，拉长成和泰勒锥类似的几何形状，从喷嘴飞向空中。在飞行过程中，由于高的表面体积比，溶液射线的溶剂迅速蒸发，在附着到基板之前形成了纳米纤维。气体压力大小对形成纤维的直径有显著的影响。通常，较高的气流速度会产生较细的纳米纤维。在气流速度和溶液推进速率之间有一个平衡，这是成功的喷射纺丝所必需的[61]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]静电复印纸用于喷墨打印的品质控制和工艺改善[J]. 陈国平,李长荣. 中华纸业. 2010(04)
[2]纳米纤维及其制造方法[J]. 王德诚. 合成纤维工业. 2004(01)
[3]聚偏氟乙烯取向膜在拉伸过程中的晶相变化[J]. 赵勇,陈晔,杨德才. 应用化学. 1993(02)
本文编号：3402895
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