基于热辐射原理的全自动纳米静电纺丝系统开发设计研究

摘要

纳米材料的发现和使用被公认为本世纪最重要的技术突破之一。纳米材料因为具有独特的表面几何形态以及优良的机械力学特征，被广泛地应用于太阳能储存，细胞培养以及能量储存等领域。尤其是线性纳米材料，比如碳纳米管、纳米棒和纳米纤维等，因为制备过程方便，工艺简单，不需要复杂的设备等优点，被广泛的应用于各个领域。
　　近年来，因为具有优良的尺寸特性、表面特性、超导性等独特的特征，具有纳米结构的材料在太阳能储存、细胞培养和纳米传感器等领域的应用吸引了研究人员的极大的兴趣。在这些纳米材料中，纳米纤维因为具有大长径比，单位质量相对较大的表面积，同时生产过程较为简单等优点，因此相比于其它纳米材料应用更加广泛。
　　到目前为止，拉伸法、模板合成法、相分离法、自装配法和静电纺丝法等技术已经被广泛的应用于纳米纤维的制备中。其中，静电纺丝法是利用高压电场力破坏液体分子间作用力，在液滴表面形成泰勒锥，在高压电场的作用下，液体表面分子克服表面张力形成射流。射流在空气中运动，溶剂快速挥发，在收集装置上沉积形成纳米纤维。静电纺丝法具有工艺简单，操作简便，不需要复杂设备等优点，是目前唯一适合大批量，连续纳米纤维制备的方法。同时，静电纺丝法制备的纳米纤维具有直径小、孔径小、空隙率高、相对表面积大和纤维均一性好等优点。因此，使用静电纺丝法制备的纳米纤维做传感器材料，可以增大传感器材料的作用区域，大幅提高传感器性能。而且，静电纺丝法制备的纳米材料和细胞组织结构具有很好的相容性及可降解性，容易被生物吸收。
　　本文首先回顾和总结纳米纤维的研究现状和国内外的研究进展。重点介绍了静电纺丝技术的发展，分析了现有的静电纺丝技术的工艺和设备。针对静电纺丝法，建立了静电纺丝过程的数学模型，分析了静电纺丝原理，获得了静电纺丝电压理论计算公式。同时设计并开发一种基于热辐射原理的全自动化纳米静电纺丝系统。通过热光源加热促进纺丝溶液挥发，提高纳米纤维的品质，同时，使原本无法用于静电纺丝的大分子材料，能够应用于静电纺丝。通过改进注液泵，提高自动化程度，使其能够连续微量供液，实现无人值守情况下大量纳米纤维的制备。
　　最后，使用基于热辐射原理开发的全自动纳米静电纺丝系统，制备具有多种生长因子的纳米纤维缓释载体，通过细胞生长实验得到影响纳米纤维表面形貌的参数及其对药物缓释的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 课题研究的国外现状

1.3 纳米静电纺丝纤维的主要应用

第2章 静电纺丝原理分析与数学建模

2.1 静电纺丝原理分析

2.2 静电纺丝过程数学模型分析

2.3 本章小结

第3章 连续微量供液装置设计

3.1 常规静电纺丝供液装置结构特点

3.2 连续微量静电纺丝供液装置设计研究

3.3 本章小结

第4章 基于热辐射原理静电纺丝装置设计

4.1 传统静电纺丝收集装置特点

4.2 基于热辐射原理纺丝装置设计

4.3 本章小结

第5章 多生长因子纳米纤维载体缓释实验

5.1 静电纺丝溶液配制

5.2 静电纺丝实验

5.3 骨修复实验结果

5.4 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢