火山口状泰勒锥静电纺丝的理论与实验研究

摘要

静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最基本最重要的方法。与传统制备纳米纤维的方法相比，静电纺丝技术以其纺丝效率高、生产工艺简单等特点，相关研究越来越多。
　　 火山口状泰勒锥静电纺丝是在气泡静电纺丝的基础上发展起来的新型静电纺丝技术。在较高粘度聚合物溶液中，在较强气流怍用下，溶液液面会产生类似火山口状的隆起，相当于泰勒锥，锥口表面溶液会在电场力作用下克服溶液表面张力产生射流，射流最后被接收板接收得到纳米纤维。
　　 为了探索火山口状泰勒锥静电纺丝机理，本文首先运用流体力学、火山喷发理论和爆破理论等对火山口状泰勒锥形成原因进行了理论分析，建立了火山口状泰勒锥的几何模型和物理模型，分析了不同气压、不同溶液粘度、不同溶液深度对火山口泰勒锥形态的影响。结果表明，随着气压的增大，气体通道形成的周期减小，锥口高度随之增加，锥口宽度增加;在一定范围内，通入相同的气压，随着溶液高度增加，锥口高度减小;随着粘度的增大，形成锥口的临界气压增大。为了进一步探究火山口状泰勒锥的形成及电场在火山口状泰勒锥静电纺丝中的分布情况，本文采用Ansvs有限元分析软件，建立通入气体的后火山口状泰勒锥形成的有限元模型，结果显示在气流作用下溶液变为火山口状;气体流速在进气口和火山口内部较大;火山口状泰勒锥形状呈周期性变化，与理论推导一致。并进一步对加载电压后，火山口状泰勒锥的电场分布进行了数值模拟，并重点分析了锥口宽度、锥口高度、溶液深度等对电场分布的影响。结果发现，火山口状泰勒锥锥口部分电场强度最大;随着溶液深度的增加，锥口处电场强度有减小的趋势;随着锥口宽度的增加，锥口部分电场强度减小，高电场范围扩大;锥口高度越高，锥口部分电场强度越大。最后，本文采用聚乙烯醇/乙醇和水混合溶液进行火山口状泰勒锥静电纺丝实验，实验结果与理论结果一致。
　　 本文的研究对于深入认识和了解静电纺丝原理，尤其对于阐明火山口状泰勒锥静电纺丝机理具有重要意义，并为进一步改进和完善火山口状泰勒锥静电纺丝技术提供理论依据和实验基础。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 静电纺丝技术简介

1．2．1 静电纺丝的发展与现状

1．2．2 新型静电纺丝技术的应用

1．3 静电纺丝方法的研究

1．3．1 几种新型静电纺丝方法

1．3．2 火山口泰勒锥静电纺丝及其研究现状

1．4 本课题研究的目的、主要内容和意义

1．4．1 本课题研究的目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究意义

第二章 火山口状泰勒锥形成的力学分析

2．1 火山口状溶液隆起形成的临界条件

2．1．1 基于流体力学研究火山口状溶液隆起形成的临界条件

2．1．2 基于火山喷发理论对溶液隆起的分析

2．2 火山口状泰勒锥形态的理论研究

2．2．1 建立火山口状泰勒锥的几何模型

2．2．2 火山口状泰勒锥的物理模型

2．3 本章小结

第三章 火山口状泰勒锥锥口形成及电场分布的数值模拟研究

3．1 火山口状泰勒锥锥口形成的有限元分析

3．1．1 Ansys软件介绍

3．1．2 Ansys分析的基本过程

3．1．3 基于ANSYS的火山口状泰勒锥形成的有限元分析

3．2 火山口状泰勒锥静电纺丝电场分布数值模拟

3．2．1 火山口状泰勒锥数值模拟的参数单元选择与参数设定

3．2．2 模拟结果分析

3．3 小结

第四章 火山口状泰勒锥静电纺丝实验验证与纺丝研究

4．1 实验准备

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验仪器

4．1．3 纺丝液的配置

4．2 实验及表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 气压对火山口状泰勒锥锥口形态和纤维形态的影响

4．3．2 溶液深度对火山口状泰勒锥锥口形态和纤维形态的影响

4．3．3 溶液粘度对火山口状泰勒锥锥口形态和纤维形态的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

硕士期间发表论文情况

致谢