通用圆盘式静电纺丝数值模拟及实验拟合

发布时间：2019-11-01 06:25

【摘要】：静电纺丝法是利用电场力来制备高聚物的纳米纤维的新型纺丝法。具体来讲,通过给聚合物溶液施加一定的高压静电,在喷头和收集装置中间产生一个高压的电场。当电场力足够大时,纺丝液克服表面张力产生射流,溶液在射流运动中蒸发并固化最终形成纳米纤维。这种单针头静电纺丝法由于产量太低,很难满足产业化的大规模生产的需要。因此,本文设计了一种通用圆盘式静电纺丝喷头,其特点在于利用纺丝液在喷头上形成的自由液面的弧面处电场强度最大的特点,在喷头各处同时可以产生多股射流,静电纺丝的效率也就因此提高了。静电纺丝所采用的高聚物溶液属于不可压缩粘性流体,射流运动更是十分复杂,因此要分析无针头静电纺丝射流的运动,涉及许多流体力学和电磁学的相关知识。本文首先建立自由液面静电纺丝的微波力学模型,从流体力学中的N-S方程出发,结合电磁学相关理论知识分析了射流产生的机理,分析得出了波动波长与表面张力和所加电场的关系。同时分别对射流稳定段和不稳定段分别进行了受力分析,得到射流半径与相关距离的关系。本文提出了通用圆盘式静电纺丝喷头的设计,静电纺丝喷头和射流区域的电场分布是影响射流形成和运动的关键。这里采用电磁学数值模拟软件Ansoft Maxwell 12分析喷头和射流区域的电场分布,进而分析电场强度对射流形成的影响,研究表明每一层喷头上的聚合物溶液的弧面边缘处电场最强,并通过模拟不同的喷头层数和层高的喷头的电场分布,对比分析影响静电纺丝纤维的各项参数。由于静电纺丝射流运动复杂,未知参数过多,实验难度较大,因此先采用Fluent2.3.26软件模拟出静电纺丝射流的运动形态,这样可以简明直观地得到牵伸力和纤维品质之间的关系。本文建立通用圆盘式静电纺丝喷头上自由液面静电纺丝射流的物理模型,并进行数值模拟分析,结果表明随着牵伸力的减小,射流数量更多,更易发生弯曲,拉伸更充分,形成的纤维也更好。最后通过设计相应的静电纺丝实验来验证第二章理论和第四章模拟得到的相关结论。采用PAN水溶液加在设计的通用圆盘式静电纺丝喷头上,在静电纺丝机上加载电压进行试验。并通过改变溶液浓度、电压大小等参数,分析比较纺丝过程中的射流形态。再将不同组实验的纳米纤维在电镜下观察,分析纤维在数量、直径等参数之间的区别。最后综合理论、模拟和实验的结论进行验证。
【图文】：

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包括了高压电源、注射器、计量泵和接收屏等[ 9 ]。图 1.1 单针头静电纺丝原理示意图1.1.3 静电纺丝的技术发展早在1934年Formhals[10]发明了静电纺丝法并申请了相关专利。该专利提到，将高聚物纺丝溶液放在一个高压电场内，其中一个电极和高聚物纺丝溶液相连，另一个则与收集装置相连，溶液被拉伸后再收集装置上形成纳米纤维。后来Drozin[11]利用 Vonneguth[12]等人发明了一种离子化装置，在高压静电下，使不同的溶液分散形成气溶胶。20 世纪 60 年代，Simons[13]提出了通过静电纺丝法来获得超轻超薄无纺布的方法。Baumgarten[14]在 1971 年将聚合物溶液加入毛细管中，成功制得直径小于 1μm 的丙烯酸纤维，同时对纤维的各项参数和溶液对纤维的影响做了进一步的研究。再后来，Larrondo[15]等人对聚乙烯和聚丙烯溶液制得的连续纤维进行分析后发现，其分子取向度与传统制法得到的纤维大致相同，并用力学测试方法对分子的拉伸性进行了深入探索。二十世纪末，Doshi[16 ]发明了利用水溶性聚氧乙烯溶液制备直径范围在0.05-5μm 的纳米纤维的方法。Chun[17]则在对苯二甲酸乙二醇脂溶液制得的纳米纤维做了许多电镜和显微镜观察，，使得静电纺丝在微观领域的研究进一步深化。Srinivasan[18]针对多种芳香聚酞胺溶液制得纳米纤维

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单针头多射流静电纺丝喷头示意
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O441.1;O358

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