耦合场下的熔体静电纺丝及其介观模拟

摘要

在熔体静电纺丝过程中，纺丝射流主要在重力场、静电场、温度场等物理场的耦合作用下，受到来自静电、质量、热量、流体、力学等各方面因素的影响，在一定的纺丝参数下形成微纳米纤维沉积在收集板上。熔体静电纺丝技术在微纳米纤维制造工艺上具有无毒、高效、安全、环保、经济等方面的优势，在生物医学、药物控释、组织工程等方向具有广阔的应用前景。但由于所需纺丝电压高、装置复杂、纤维直径相对较粗，以及纺丝机理、制约因素尚不明确等一系列难点无不制约着其进一步发展。本文通过纺丝模型的建立，利用耗散粒子动力学介观模拟与实验相结合的方式共同探讨耦合场对熔体静电纺丝的影响，并且通过使用向上熔体静电纺丝能够制备纳米级纤维，为了进一步说明模拟方法的可靠性和普遍适用性，在研究过程中从模拟的角度对电场诱导相分离静电纺丝进行了讨论和分析。主要工作如下:
　　1、在耦合场熔体静电纺丝的研究过程中，通过改变重力与电场力之间的夹角，并且以固定其他纺丝参数不变为前提，研究耦合场对纺丝纤维直径的变化影响。随着电场力与重力之间耦合角的增大，所获纤维直径呈现出明显的下降趋势。此外，当电场力与重力在相反方向时更容易得到直径、形貌较佳的纤维。而耗散粒子动力学介观模拟法也从模拟的角度验证了这一结论的正确性。不仅如此，从统计数据中还得到了适用于本实验的耦合角与纤维沉积位置的计算公式。
　　2、利用脉冲电场进行相同的耦合场熔体静电纺丝实验，保持占空比、频率以及其他纺丝参数不变，得到了与普通电场时相同的结论。而脉冲电场能够促进分子链的解缠，从而降低射流的粘度、增大射流的流动性，所以能够获得直径更小的纤维。
　　3、正交实验设计法的引入降低了向上熔体静电纺丝实验的繁琐程度，在对9组实验所获纤维进行统计分析的过程中发现，电压是影响纤维直径的主要因素。分别从最小直径和最小方差两个角度来确定最佳纺丝参数，电压分别为40kV和35kV,而纺丝距离10cm、占空比37.1％、和频率3.52kHz都相同。在两组最佳纺丝条件下分别能够获得180nm左右的纳米纤维和直径均匀的超细纤维。
　　4、通过使用耗散粒子动力学介观模拟法对内置电场诱导相分离静电纺丝进行相分离过程模拟，发现当粒子组份比例固定、时间步长超过5000时，模拟体系中出现核壳结构;而当粒子组份比例变化时，模拟体系中的核壳结构也随之变化，模拟结果与实验结论所呈现出的变化规律基本吻合。而实验中由于纤维形成过程中溶剂的挥发，导致组成纤维核层的水溶性透明质酸含量变化关系与复合聚电解质溶液中透明质酸含量变化关系略不相同。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 静电纺丝概述

1．2 静电纺丝原理

1．3 静电纺丝应用

1．3．1 能量储存

1．3．2 过滤分离

1．3．3 防护服装

1．3．4 生物医学

1．3．5 传感器

1．4 DPD介观模拟的发展

1．4．1 耗散粒子动力学

1．4．2 静电纺丝中其他典型模拟方法

1．6 本文的研究内容与创新点

1．6．1 研究内容

1．6．2 创新点

第二章 耦合场下的熔体静电纺丝的实验和模拟研究

2．1 引言

2．2 耦合场熔体静电纺丝的实验探索

2．2．1 实验介绍

2．2．2 实验结论

2．3 耦合场熔体静电纺丝的模拟探索

2．3．1 DPD介观模拟介绍

2．3．2 DPD介观模拟结论

2．4 本章小结

第三章 向上熔体静电纺丝设备的设计及实验研究

3．1 引言

3．2 基于正交实验法的向上熔体静电纺丝工艺条件实验研究

3．2．1 实验材料与设备

3．2．2 向上熔体静电纺丝实验装置

3．2．3 正交实验设计

3．2．4 纤维的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 实验现象总结与假设

3．3．2 实验结果的直观分析

3．3．3 最佳纺丝参数的确定

3．4 本章小结

第四章 电场诱导相分离静电纺丝的DPD介观模拟研究

4．1 前言

4．2 模拟与实验部分

4．2．1 模拟体系的特性

4．2．2 实验流程

4．3 结果与讨论

4．3．1 核壳纤维的结构分析

4．3．2 介观模拟结果分析

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

致谢

研究成果及发表的学术论文

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