同轴静电纺丝泰勒锥形成机理与实验研究

摘要

随着纳米科技的兴起，纳米材料在过滤、生物医学、传感和纳米电子仪器等领域已展现出独特性能。基于静电纺丝法得到的纳米纤维具有直径小、比表面积大、制备简单、成本低廉以及工艺可控等优点，已成为研究热点。目前来说，如何制备需要的高性能、多功能的复合纳米纤维是所研究的关键。同轴静电纺丝法是在静电纺丝的基础上改进装置发展而来，它的出现弥补了普通静电纺丝法在制备某些无电纺性材料或异常结构纤维时所存在的缺陷，具有一步成型的优点。
　　本文以复合泰勒锥形貌为主线，主要从以下几个部分进行阐述：
　　首先，同轴静电纺丝是内、外层两种溶液的共同作用，在电纺复合结构纤维时，不同性质的材料相汇聚，因此同轴电纺受参数变化影响较为敏感。分析了喷射流体粘度、相混溶性、界面张力、溶剂挥发性等溶液参数，以及流速、浓度等工艺参数对电纺成丝性的影响作用机理。
　　其次，基于纳米静电纺丝过程中稳态射流的动量、质量和电荷守恒机理，建立了复合泰勒锥形貌模型，得出了泰勒锥体轴向尺寸与锥体半径之间的关系为~R=(β·~z+1)-1/2，为研究复合泰勒锥体形貌以及稳定纺丝过程奠定了模型基础；同时内层使用3wt％的壳聚糖溶液和外层8wt%PEO溶液进行实验，分别分析了泰勒锥体在亚临界、临界以及超临界电压作用下的拉伸变化情况。
　　然后，研究纺丝喷嘴处复合泰勒锥形貌的变化情况，搭建了基于CCD的可视化静电纺丝平台，该平台主要包括高压直流电源、注射泵、纺丝头、CCD以及控制装置；传统静电纺丝平台只能利用滚筒或平板接收器电纺出纳米纤维膜，而在本课题平台中提出了倒锥形锁紧旋转夹持机构，实现在柔性医用球囊表面直接纺丝。利用该平台可较为方便的观察复合泰勒锥体以及喷射流的实时变化情况。
　　最后，研究复合泰勒锥形成过程的变化规律，利用所搭建实验平台进行了一系列对比实验。通过观察复合泰勒锥形成过程，得出PAN/PLGA溶液和壳聚糖/PEO溶液能够较为合适进行电纺；同时使用CCD拍摄泰勒锥体形貌图，通过MarkMan软件获得了泰勒锥体轮廓点像素值，得到泰勒锥形成的变化曲线。通过分析电压、浓度、流速等参数对泰勒锥体的影响，验证了浓度、流速和电压等数值越大，纺丝液易被拉伸成锥体；通过PLGA/PAN溶液和壳聚糖/PEO溶液的电纺实验，将泰勒锥体形貌曲线与泰勒锥体理论模型进行比较，分析得出当轴向尺寸大于初始半径阶段，实验结果与理论模型吻合较好。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3课题研究的目标及内容

1.4本文结构安排

1.5本章小结

第二章 同轴静电纺丝机理研究

2.1同轴静电纺丝技术的理论基础

2.2同轴泰勒锥体形貌的理论模型推导

2.3 泰勒锥体的拉伸电压公式与实验对照

2.4 本章小结

第三章 同轴静电纺丝平台的搭建

3.1 实验平台的搭建

3.2 柔性球囊表面纺丝的方案设计

3.3 硬件部分的控制

3.4平台可实现的制备结果

3.5本章小结

第四章 同轴静电纺丝实验分析

4.1 不同溶液组合的电纺性实验对比

4.2 复合泰勒锥体形成过程研究

4.3 复合泰勒锥体形貌影响因素研究

4.4 溶液流速对成丝性的影响作用

4.5泰勒锥体模型的验证

4.6电纺管状复合纳米纤维体

4.7本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢

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