多射流平面喷嘴静电纺丝实验与理论研究

摘要

本文对平面喷嘴静电纺丝进行了研究，通过电场模拟设计了电场均匀的平面喷嘴静电纺丝装置并进行纺丝；通过对不同电场中射流运动的研究，分析了不同电场对射流运动及纳米纤维性能的影响；研究了多射流平面喷嘴静电纺丝结构参数对纤维性能和纤维毡形貌的影响，并设计了多层平面静电纺丝喷嘴；研究了多射流静电纺丝射流在电场中的运动，探讨了多射流静电纺丝中射流偏移的影响因素；论文的最后将电场与流场进行耦合，模拟了射流在电场中的运动，并完成了实验验证。
　　本论文共分为七章。
　　第一章总结了静电纺丝的机理，射流运动模拟和多射流静电纺丝实验研究现状，并指出了研究的不足。从这些研究现状说明本文的研究意义和研究内容。
　　第二章通过有限元计算软件对所设计的静电纺丝装置的电场分布进行了模拟，通过实验测试的方法验证了软件对电场计算结果。设计了电场分布均匀的平面喷嘴静电纺丝装置，并通过实验验证了电场分布均匀的静电纺丝装置所纺的纳米纤维直径更细、更均匀。
　　第三章采用高速摄像技术拍摄了单根射流在不同电场中的运动，通过所拍摄射流的运动轨迹，选用了射流直线段长度、鞭动振幅，鞭动频率和鞭动区域射流速度四个参数对射流在电场中的运动进行表征，并对射流在不同电场中的拉伸率进行计算。基于电场分布计算结果，采用数值模拟的方法，对射流在不同电场中的运动轨迹进行了模拟，并与测量值进行了对比。
　　第四章设计了多射流平面喷嘴静电纺丝装置，并对聚四氟乙烯板厚度、电极直径和孔距三个结构参数对平面喷嘴静电纺丝工艺的影响进行实验研究；最后对通过对喷嘴表面的电场模拟，以设计电场均匀的多射流纺丝喷嘴为目的，通过提高平面喷嘴中间区域的电场强度，设计了19孔多层平面喷嘴静电纺丝装置。
　　第五章对比研究了七孔平面喷嘴静电纺丝装置与传统七针静电纺丝装置的电场分布，以及电场分布对多射流静电纺丝装置中射流在电场中的运动的影响。针对平面喷嘴静电纺丝装置和七针静电纺丝装置设计了两组实验，选取了中间位置射流直线段长度、中间位置射流鞭动包络角、外围射流直线段长度、外围射流鞭动包络角和外围射流的偏移角度五个参数对多射流在电场中的运动进行了表征，并结合电场模拟结果对射流偏移的影响因素进行了分析。
　　第六章对射流的运动进行了模拟。使用COMSOL Multiphysics软件先对纯流场情况下射流的运动进行模拟，模拟了不同的纺丝工艺参数对射流速度的影响。然后将聚合物流体流场与电场进行耦合，研究了不同的电压对射流运动速度的影响，并与前文对射流速度的测试结果进行了对比。
　　第七章是本论文的总结和展望。列举了文中的结论以及不足和需要进一步研究的方向。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 静电纺丝力学机理研究现状

1.3 静电纺丝装置实验研究现状

1.4 已有的成果与不足

1.5 本文研究内容

1.6 论文章节安排

参考文献

第二章 电场均匀的平面喷嘴静电纺丝装置设计

2.1 引言

2.2 设计理论基础

2.3 喷嘴设计

2.4 接收板设计

2.5 设计结果的实验验证

2.6 本章结论

参考文献

第三章 静电纺丝射流在不同电场中的运动研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 射流运动的数值模拟

3.5 本章结论

参考文献

第四章 多射流平面喷嘴静电纺丝实验研究

4.1 引言

4.2 平面喷嘴静电纺丝

4.3 多层平面喷嘴静电纺丝

4.4 本章结论

参考文献

第五章 多射流静电纺丝射流间相互作用研究

5.1 引言

5.2 射流偏移作用研究

5.3 电场分布对射流运动的影响

5.5 本章结论

参考文献

第六章 静电纺丝多物理场仿真模拟

6.1 引言

6.2 计算模型的建立

6.3 无电场的射流运动模拟

6.4 流场与电场耦合射流运动模拟

6.5 模拟结果验证

6.6 本章结论

参考文献

第七章 结论

7.1 本文主要结论

7.2 本文存在的不足及展望

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