狭缝式熔体微分静电纺丝工艺及装置研究

摘要

静电纺丝技术是制备纳米纤维的一种有效方法，分为溶液静电纺丝与熔体静电纺丝，而熔体静电纺丝由于不使用溶剂，绿色无污染，是一种环境友好型的纳米纤维制备方法。但传统的熔体静电纺丝为毛细管式，纺丝效率低，虽然有通过阵列针头的方法去提高纺丝效率，但是此种方法会出现针头堵塞等问题，为实现纳米纤维的连续、稳定、绿色、批量化制备，熔体微分静电纺丝工艺被提出，这是目前实现纳米纤维工业化生产的一种高效的工艺路线，但目前国内外研究较少。
　　熔体微分静电纺丝在纳米纤维的绿色批量化制备上具备很大的优势，但还存在以下的缺点和亟待解决的问题:1.在纤维直径的细化方面，在应用上更好地发挥其绿色制造和高强度的特点，以和溶液静电纺丝纤维匹敌，这也是所有熔体静电纺丝装置和工艺所共同需要解决的问题，本文通过对纺丝参数的优化以及加入气流辅助装置细化了纤维直径。2.在微流量供给和控制方面，无针熔体静电纺丝的装置较为复杂，熔体微流量控制难，对熔体流道的设计以及供料方式要求较高，本文通过单螺杆挤出机的塑化系统的设计，实现了流量的精确控制以及纺丝的均匀性。3.在提高纺丝效率方面，从实验到理论研究射流间距的影响因素，降低射流间距，提高射流根数，以提高纺丝效率，本文通过对流道和喷头的设计，以及实验与模拟相结合，射流间距达到3.3mm，大大提高了纺丝效率。
　　依据杨卫民教授提出的聚合物熔体加工微积分思想，自主设计了狭缝式熔体微分静电纺丝装置，并搭建实验台对设备进行调试与纺丝实验。具体研究内容如下:
　　(1)设计一种狭缝式熔体微分静电纺丝装置
　　基于熔体微分概念提出并设计一种狭缝式熔体微分静电纺丝装置，其优点是在自由表面产生多射流，提升了纺丝效率，并且加入的气流辅助可以用来细化纤维，该装置的设计与实验目的是用以指导和实现纳米纤维绿色批量化制备。
　　(2)狭缝式熔体微分电纺装置微流量控制和射流分布探究
　　搭建实验台并进行装置实验初探，主要探究了挤出机螺杆转速与纺丝流量的关系以及纺丝流量对喷头处流料的均匀性和纺丝过程中射流分布的影响，实现微流量的精确控制并保障纺丝过程中射流的均匀性和稳定性。
　　(3)狭缝式熔体微分电纺纤维细化的探究
　　通过正交实验发现纺丝电压、纺丝距离、纺丝温度这三个纺丝参数对纤维直径的影响程度大小，并探究单一参数对纤维直径的影响，同时探究气流辅助装置对纤维细化的效果。
　　(4)狭缝式熔体微分电纺射流间距的探究
　　通过实验探究纺丝电压、纺丝距离、纺丝温度和锯齿密度对射流间距的影响，并利用COMSOL对喷头处进行电场模拟，对射流间距的影响因素进行探究并寻求规律，用以指导和提高纺丝效率。
　　综上，本课题提出一种狭缝式熔体微分静电纺丝工艺及装置研究，有望提供一种有效的纳米纤维绿色批量化制备的方法，为纳米纤维能够被广泛应用到各个领域打下基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 静电纺丝技术

1．3 熔体静电纺丝装置

1．4 熔体微分静电纺丝技术

1．4．1 无针熔体静电纺丝的原理

1．4．2 无针熔体静电纺丝的优势及其研究重难点

1．4．3 无针熔体静电纺丝的理论研究

1．4．4 无针熔体静电纺丝的装置及工艺介绍

1．5 本课题的主要研究内容

1．6 本课题的创新性

第二章 狭缝式熔体微分电纺装置设计

2．1 狭缝式熔体微分静电纺丝装置的纺丝原理

2．2 狭缝式熔体微分静电纺丝装置设计

2．2．1 塑化系统的设计

2．2．2 熔体流道设计

2．2．3 纺丝喷头的设计

2．2．4 气流辅助装置设计

2．2．5 电极板的设计

2．2．6 辅助设备

2．3 本章小结

第三章 狭缝式熔体微分电纺装置流量控制与射流分布探究

3．1 挤出机转速与纺丝流量的关系

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验装置

3．1．4 纺丝装置流量测试

3．1．5 性能表征

3．1．6 结果与讨论

3．1．7 结论

3．2 纺丝流量大小对纺丝效果的影响

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验装置

3．2．4 PP材料纺丝实验

3．2．5 性能表征

3．2．6 结果与讨论

3．2．7 结论

3．3 本章小结

第四章 狭缝式熔体微分电纺纤维细化的探究

4．1 纺丝基本参数对纤维直径的影响

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验仪器

4．1．3 实验装置

4．1．4 实验样品的制备

4．1．5 测试与表征

4．1．6 实验结果与分析

4．2 辅助气流对纤维的细化效果探究

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验装置

4．2．4 PP材料纺丝实验

4．2．5 性能表征

4．2．6 结果与讨论

4．2．7 结论

4．3 本章小结

第五章 狭缝式熔体微分电纺射流间距的探究

5．1 基本工艺参数对射流间距的影响

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验仪器

5．1．3 实验装置

5．1．4 PP材料纺丝实验

5．1．5 性能表征

5．1．6 实验结果与分析

5．2 锯齿密度对射流间距的影响

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验仪器

5．2．3 实验装置

5．2．4 PP材料纺丝实验

5．2．5 性能表征

5．2．6 实验结果与分析

5．2．7 喷头场强模拟

5．3 本章小结

6．1 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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