静电纺丝工艺与方法的研究

论文摘要

利用静电纺丝方法制得的纳米纤维材料具有比表面积大、孔径尺寸小且复杂等特点,使得它在高效过滤材料,生物医用材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域有着广阔的应用前景。目前尽管有关静电纺丝的研究很多,但大多集中在研究某种高聚物的可纺性,关于静电纺丝工艺对纤维细度影响的研究相对较少;特别是到目前为止的研究绝大多数都采用单针头静电纺丝装置,它的产量极低,不能满足工业化生产要求,因此进一步对静电纺丝工艺和高效静电纺丝方法进行研究非常必要。本文从实验和理论两方面研究了单针头静电纺丝工艺对纤维细度的影响,提出了一种溅射式的规模化静电纺丝方法并对其工艺进行了探讨。论文首先采用单针头式静电纺丝装置制备了PVA纳米纤维毡,对静电纺丝工艺,即接收距离、纺丝静电压和PVA纺丝液浓度,对纤维细度的影响进行了实验研究;另外,利用珠一链纤维模型,对静电纺丝过程中带电射流被拉伸的过程进行了数值模拟,通过计算聚合物射流细度随时间的动态变化得到纤维的直径,并与实验值进行了对比分析。第二,论文在分析了现有静电纺丝装置的优缺点的基础上,设计出一种溅射式规模化静电纺丝装置,它由储液器、均匀分配器、玻璃棒、金属滚筒、抽风机、接收装置、溶液回收槽等组成。纺丝溶液经过均匀分配器前端的漏孔,均匀地溅射到旋转的金属滚筒上,在金属滚筒和纤维接收网之间的高压静电场作用下,金属滚筒上的液滴被拉伸,通过溶剂挥发成丝。第三,采用溅射式静电纺丝装置对PVA纺丝液进行了试纺,制备出了直径为250-1000纳米的PVA纤维毡,其生产效率可达18克/分钟,是针头式静电纺丝装置的40倍左右。在此基础上,实验分析了均匀分配器、金属滚筒及其转速对纺丝过程的影响以及PVA纺丝液在该装置上纺丝的适合浓度和静电压,并初步研究了接收距离、纺丝静电压、纺丝液浓度和纺丝液温度对纤维直径的影响。最后,为了验证溅射式静电纺丝装置的适用性,将浓度为4.0%的PEO纺丝液在该装置上进行了试纺,连续3小时纺制了48克PEO纳米纤维毡。在此基础上,实验研究了溅射式静电纺丝装置纺制PEO纳米纤维毡的纺丝工艺参数,分析了各工艺参数对PEO纤维细度的影响,并与针头式静电纺丝装置进行了对比。另外,还初步研究了电压、纺丝液的电导率和粘度对珠结产生的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 静电纺丝的发展
• 1.2 静电纺丝的研究现状
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 PVA静电纺丝实验与拉伸模型的研究
• 2.1 PVA静电纺丝实验
• 2.2 静电纺丝拉伸模型
• 2.3 模型值与实验结果的对比分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 规模化静电纺丝方法的初探
• 3.1 溅射式规模化静电纺丝装置
• 3.2 静电纺丝制备PVA纳米纤维
• 3.3 各工艺条件对静电纺丝产量和纺丝过程的影响
• 3.4 静电纺丝工艺参数对 PVA纳米纤维毡中纤维细度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 静电纺 PEO纳米纤维毡
• 4.1 静电纺丝制备 PEO纳米纤维毡
• 4.2 静电纺丝工艺参数对珠结产生的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文