转杯式静电纺丝装置及工艺的优化

摘要

纳米纤维由于其纤维径细、比表面积大等优点被广泛应用于过滤材料、生物医用、传感器等领域，因此也成为研究热点。目前静电纺丝法是制备纳米纤维最重要和最有效的方法。但静电纺丝技术最大的缺陷就是产量很低，其中射流的数量是实现静电纺丝规模化的最大阻力，本文主要通过实验的方法探究转杯结构对静电纺丝的影响，发现转杯式静电纺丝装置是实现规模化生产的一种有效途径。
　　为了提高静电纺丝的产量，收集均匀连续的纳米纤维网，本文在课题组自主设计的转杯式静电纺丝装置的基础上，对该装置的纺丝工艺和转杯结构进行优化和改进。通过改变不同的工艺参数和变换不同的转杯结构进行纺丝，并对所纺纤维进行分析，确定出了最佳的纺丝工艺参数，最优的转杯结构。
　　首先用PVA溶液在该设备上进行试纺，采用平面纺丝转杯，分别选取不同纺丝质量浓度、附加电压、计量泵流量和纺丝转杯转速参数进行单因子实验，对比同一因素不同参数下的纺丝实验结果，初步确定各因素的可纺范围；进而在各因素可纺范围内选取不同的水平设计正交试验，通过对各方案的实验结果进行分析和验证，选择最佳的实验方案及对应的工艺参数。最终确定的最佳纺丝工艺是：溶液质量浓度为10％，纺丝电压为50kv，纺丝转杯转速为6300r/min，计量泵流量为30 ml/h。
　　针对自制的转杯式静电纺丝装置中纺丝转杯的设计，对纺丝转杯的结构进行了探索研究，在原有基础上进行了改进。首先设计出表面刻有不同沟槽数量的纺丝转杯，并用不同沟槽数量的纺丝转杯进行实验，通过对比成纤效果和产量，确定最佳的沟槽数量为8；然后按照最佳的沟槽数量改变沟槽形状，先后采用直线型、渐窄型、旋转型和风车型沟槽的纺丝转杯进行实验，通过对比成纤效果和产量，确定出最佳的沟槽形状为渐窄型。最终确定的较优的转杯结构为8沟槽渐窄型转杯。最后对转杯式静电纺丝的纺丝产量进行分析发现，利用该装置进行静电纺丝，在研究出的最佳工艺参数及最佳纺丝转杯结构下纺丝，每小时的平均产量约为15g/h，相比之前的单针头静电纺丝装置，产量提高了近150倍。结果表明：利用该装置能够生产更细更多的纳米纤维。预计，进一步优化工艺参数、转杯结构和接收装置，可以进一步提高纳米纤维的细度和产量，并且有望实现纤维网的持续连续生产，同时此设备也为生产两种或多种不同材料的多功能复合纤维网提供了可能。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 静电纺丝原理

1.3 静电纺丝提高产率技术的研究现状

1.4 本论文的研究内容和意义

第二章 实验仪器及实验方法

2.1 实验材料与仪器

2.2 纺丝液的制备

2.3 转杯式静电纺丝装置与工艺

2.4 转杯式静电纺装置成丝的原理和过程

2.5 纺丝转杯和接收装置间电场的模拟

2.6 纳米纤维的形貌与直径测试

第三章 转杯式静电纺丝工艺的探索研究

3.1 工艺实验方案设计

3.2 转杯式静电纺丝的原理模拟

3.3 工艺实验结果及分析

3.4 本章小结

第四章 转杯式静电纺丝工艺的优化研究

4.1 优化实验方案设计

4.2 优化实验结果及分析

4.3 本章小结

第五章 转杯式静电纺丝装置的优化研究

5.1 装置优化实验设计

5.2 纺丝产量的计算

5.3 装置优化实验结果及分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

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