火山口状泰勒锥静电纺丝方法及其纳米纤维制备研究

摘要

静电纺丝是目前制备纳米纤维最重要也是最基本的方法之一，其主要原理是聚合物溶液或熔体在高压静电场中受静电力作用克服表面张力而产生带电喷射流，溶液或熔体在喷射过程中干燥、固化最终落在接收装置上形成纳米纤维毡。
　　 在较大的气压和气流作用下，在溶液自由液面会产生火山口状的隆起，这种隆起与传统静电纺丝工艺中的泰勒锥十分相似。本课题利用这一切入点，首次提出了基于火山口状泰勒锥的静电纺丝方法，并进行了初步的研究和探索。
　　 为了揭示火山口状泰勒锥静电纺丝方法的主要原理，本文首先基于化工流体力学、伯努利方程、理想气体方程等有关理论，建立能够形成稳定的火山口状溶液隆起的气压与溶液性质之间关系的模型，为建立火山口状泰勒锥静电纺的临界条件奠定了理论基础。在纳米纤维制备方面，本文以常见高分子聚合物--聚乙烯醇(PVA)为原料，利用火山口状泰勒锥静电纺方法纺制纳米纤维。本课题首先考察了电压、纺丝距离、气压和溶液性质(电导率)等对火山口状泰勒锥静电纺纳米纤维表面形貌的影响，利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征并分析了纳米纤维的形态结构和直径分布情况。研究发现，纺丝液中电压、纺丝距离、气压、导电离子含量等参数对纳米纤维的形态和直径分布有重要影响。纳米纤维平均直径随着纺丝电压的升高而逐渐减小，分布也趋于集中；随纺丝距离的增大而减小，但直径分布先趋于集中后分散。气压达到可纺丝条件之后，对纤维平均直径的影响不明显，但是随着气压的增大，纤维直径分布趋于集中；纤维平均直径随电导率的增加而减小，直径分布更集中。为了进一步研究各参数之间的交互影响，本文利用响应面法(RSM)对火山口状泰勒锥静电纺丝工艺进行优化。结果表明，在综合条件下，气压是影响火山口状静电纺丝过程的最显著因素，显著性顺序为：气压>电压>纺丝距离。根据拟合出的火山口状泰勒锥静电纺纳米纤维的三个因子之间二次回归方程模型，得到纳米纤维平均直径最小值的最佳工艺条件为：电压26.29kV，纺丝距离8.74cm和气压10kPa。实验结果表明，该工艺条件下获得的纳米纤维平均直径为62.2nm，与理论值60.64nm基本上吻合。
　　 通过本课题的研究，论证了火山口状泰勒锥静电纺丝技术的可行性，也为进一步完善火山口状泰勒锥的静电纺丝技术提供了实验基础和理论依据。