静电纺丝过程行为及振动静电纺丝技术研究

论文摘要

静电纺丝技术可以生产纳米纤维并且其生产过程简单而又经济，因此该技术已经引起了世界范围内的广泛关注，静电纺丝技术的研究工作在广泛的开展之中。但是静电纺丝技术中仍存在一些难以解决的问题，还有很多技术和理论工作需要进一步的深入和完善。本文构造了静电纺丝过程的一维定常模型，并且考虑到静电纺丝中的热、电效应，得到了改进的Spivak-Dzenis模型和一维静电纺丝模型，对静电纺丝技术进行了理论性的描述，所得的模型相对以往的模型更为完善，对静电纺丝技术的研究具有更强的指导性。本文突破了描述单一阶段的Spivak关于射流直径与射流运行距离之间的关系式，得到了不同阶段射流直径与射流运动距离之间的关系式。Spivak关系式已被学术界普遍接受并广泛引用，但是通过对静电纺丝过程中不稳定现象的分析研究，本文认为这一关系式具有一定的局限性，只适用于射流运动过程中的某一阶段，通过对本文所建立模型的分析，本文最终得到了分别对应射流运动中的初始阶段、不稳定阶段和最终阶段的射流直径与射流运动距离之间的关系式，与Spivak的关系式相比，这些关系式更具有普遍适用性与指导意义。本文引入标度率分析方法，建立了电流与电压、纤维直径与电压、电流与流量、纤维直径与流量等主要参数之间的标度率关系式，并进行了实验验证。利用这些关系式可以指导静电纺丝工艺的生产和控制，并可以实现对纳米纤维直径的预测，具有重要的实验和生产指导意义。本文突破以往静电纺丝装置的研究开发方向，通过理论分析和实验验证证实了振动静电纺丝技术的可行性并自主开发了振动静电纺丝装置。在一般静电纺丝装置中存在纺丝困难的高浓度溶液，利用该设备可以顺利纺丝，并可以获得直径更细的纤维。本文利用自主研发的振动静电纺丝装置对若干溶液体系进行了应用研究，考察了振动静电纺丝装置的应用方向和应用前景。在振动静电纺丝实验过程中，不具有流动性的聚氧乙烯凝胶体系呈现了良好的流动性和可纺性，并最终获得了平均直径为100纳米的聚氧乙烯纳米纤维。在对可纺性不强的聚丁二酸丁二醇酯溶液进行的振动静电纺丝实验中，聚丁二酸丁二醇酯溶液呈现了良好的可纺性，纺丝实验非常顺利，与使用普通静电纺丝装置获得的聚丁二酸丁二醇酯纤维相比，使用振动静电纺丝装置纺出的聚丁二酸丁二醇酯纤维直径显著变细了。对添加了未特殊处理碳纳米管的聚丙烯腈溶液的振动电纺丝中，获得了碳纳米管分布均匀、取向良好的碳纳米管增强的聚丙烯腈纤维。这些实验的成功，证明振动静电纺丝技术提高溶液的可纺性，实现对普通静电纺丝装置纺丝存在困难的溶液体系的正常纺丝，并可以得到直径更细的纤维；同时对含有纳米颗粒的高聚物溶液体系的振动静电纺丝，则可以获得颗粒分散均匀、取向良好的纳米纤维。因此，振动静电纺丝技术在静电纺丝溶液体系趋于多样化的情况下具有广泛的可用性和良好的发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概论
• 1.1 静电纺丝技术原理
• 1.2 静电纺丝技术理论研究现状
• 1.3 静电纺丝技术实验研究现状
• 1.4 静电纺丝装置的研究
• 1.5 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 静电纺丝过程数学模型
• 2.1 一维定常模型
• 2.2 改进的SPIVAK-DZENIS模型
• 2.3 改进的一维模型
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 静电纺丝过程行为分析
• 3.1 标度率分析方法
• 3.2 射流直径与其运动距离的标度率关系
• 3.2.1 初始阶段标度率分析
• 3.2.2 不稳定阶段分析
• 3.2.3 最终阶段分析
• 3.2.4 小结
• 3.3 纺丝工艺参数与静电纺纤维直径之间的关系
• 3.3.1 溶液粘度与纤维直径之间的标度率关系分析
• 3.3.2 电压与纤维直径之间的标度率关系分析
• 3.3.3 流量与纤维直径之间的标度率关系分析
• 3.3.4 实验验证
• 3.3.4.1 实验
• 3.3.4.2 静电纺丝现象
• 3.3.4.3 溶液粘度与纤维直径之间的标度率关系验证
• 3.3.4.4 电压与纤维直径之间的标度率关系
• 3.3.4.5 流量与纤维直径之间的标度率关系分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 振动静电纺丝技术研究
• 4.1 超声波作用机理
• 4.2 超声波振动作用研究
• 4.3 振动静电纺丝技术研究
• 4.3.1 振动静电纺丝设备
• 4.3.2 实验研究
• 4.3.2.1 实验
• 4.3.2.2 实验结果与分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 振动静电纺丝技术应用研究
• 5.1 振动静电纺高分子量聚氧乙烯纳米纤维
• 5.1.1 实验
• 5.1.2 实验结果与分析
• 5.2 振动静电纺聚丁二酸丁二醇酯纳米纤维
• 5.2.1 实验
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 振动静电纺碳纳米管增强聚丙烯腈纳米纤维
• 5.3.1 实验
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究设想
• 6.2.1 多场耦合
• 6.2.2 静电纺赛络纱
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 致谢