基于分形原理的电纺技术研究及在滤材上的应用

摘要

本研究将分形理论与静电纺丝相结合，在电流体动力学和流体力学、粘弹性力学的框架下，结合COMSOL有限元分析软件、SOLIDWORKS模型设计与建立和静电纺丝实验，构建分形纺丝过程模拟、探索多射流间相互干扰机制和减弱电场分布不均的有效途径;以经典物理学静电场理论为依托，结合有限元分析软件的模拟，探索新型分形静电纺丝机理，为静电纺纳米纤维制备技术的产业化奠定基础。
　　本文采用SOLIDWORKS软件、COMSOL有限元模拟软件确定了一种非线性空心圆形分形纺丝电极。为了减小“边缘效应(end effect))”的影响，在非线性空心圆形分形两端增加辅助圆盘，对辅助圆盘参数如直径、间距、个数、以及形状对场强大小与均匀性的影响进行了系统研究，以探寻辅助圆盘参数对场强分布的影响，最终获得最优的纺丝电极形式。结果发现，当增加一个辅助圆盘并且直径为70mm、与两端纺丝电极的间距为40mm时，电场强度分布更均匀，CV值均低于4％。此外，采取相似的辅助结构显示出更低的场强CV值，均低于3％。基于场强大且分布均匀的原则，采用SOLIDWORKS软件设计了三种非线性分形纺丝电极，分别为线圈式分形、螺旋式分形、薄片式分形，导入COMSOL进行有限元模拟。结果发现，在相同电压下，线圈式分形具有更高的电场强度，当两端线圈间距为60mm时，场强分布更均匀，其次为厚度为0.5mm的薄片式分形。采用自制的分形静电纺丝设备，在没有横动的条件下，获得分布均匀，CV值为8.11％的PAN纳米纤维膜，最后与无纺布复合，得到过滤性能优良的复合材料应用于空气过滤领域，进一步验证了模型的可行性，为规模化静电纺丝提供一种新思路，奠定理论和实践基础。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米材料

1．2 静电纺丝技术概述

1．2．1 基本原理

1．2．2 成型分析

1．2．3 影响因素

1．2．4 国内外研究现状

1．3 无针头静电纺丝技术

1．3．1 技术原理

1．3．2 发展历史

1．3．3 存在问题

1．4 过滤及过滤材料

1．4．1 过滤理论

1．4．2 过滤介质的性能评价及指标

1．4．3 纳米纤维过滤材料

1．5 材料的概述

1．6 本课题的研究目的、内容及意义

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

1．6．3 研究意义

第二章 分形结构纺丝电极的设计与模拟

2．1 分形理论与基于Von Koch曲线的静电纺丝头

2．1．1 分形理论与Von Koch曲线

2．1．2 静电场有限元技术原理

2．2 分形结构模型的建立与模拟

2．3 基于Von Koch曲线的静电纺丝头

第三章 非线性分形结构场强均匀性的优化

3．1 实心／空心圆形分形纺丝电极的确定

3．1．1 电场强度模拟与对比

3．2 空心圆形分形结构的优化

3．2．1 改变辅助圆盘的直径

3．2．2 改变辅助圆盘的距离

3．2．3 改变辅助圆盘的个数

3．2．4 相似结构的辅助圆盘

3．3 本章小结

第四章 非线性分形结构场强大小的优化

4．1 线圈式分形结构纺丝电极

4．1．1 模型的建立与模拟

4．1．2 结果与分析

4．1．3 线圈式的分形结构的优化

4．2．1 模型的建立与模拟

4．2．2 结果与分析

4．3 薄片式的分形结构纺丝电极

4．3．1 模型的建立与模拟

4．3．2 结果与分析

4．4 非线性分形纺丝电极的选择

4．5 本章小结

第五章 模型实验论证与过滤应用

5．1 实验原料及仪器

5．2 自制分形结构静电纺丝实验装置

5．3 静电纺丝液的制备

5．4 静电纺丝制备纤维膜

5．5 测试与表征

5．5．1 最佳浓度的选取

5．5．2 最佳纺丝电压选取

5．5．3 最佳PAN纳米纤维膜厚度确定

5．6 静电纺／纺粘复合材料

5．7 结果与分析

5．7．1 PAN静电纺纤维膜纺丝液用量的确定

5．7．2 PAN静电纺纤维膜纺丝电压的确定

5．7．3 纤维膜厚度测试结果分析

5．7．4 机械拉伸性能分析

5．7．5 复合材料过滤性能分析

5．8 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢