熔体微分静电纺丝气辅细化及多锥面增效工艺及机理研究

摘要

静电纺丝技术作为一种特殊的纤维制造工艺，由于其可简便有效的生产微纳米纤维，受到了广泛的关注。作为静电纺丝技术中的重要分支，熔体静电纺丝技术由于其不使用溶剂，无溶剂回收问题，且产量高等优点，迅速发展成微纳米纤维批量化制备的研究热点，并且有着巨大的应用潜力。熔体静电纺丝由于其设备复杂、熔体粘度大和施加电压较高等技术难点，使得纤维直径较粗且产量难以达到产业化水平，因此，纤维细化和效率提高对静电纺丝技术以及我国纤维产业化发展有着重要意义。
　　本文在课题组前期开发的熔体微分静电纺丝技术的基础上，分析了现有设备及工艺的优缺点，以纤维均匀细化以及增效为原则，开发了熔喷静电、吸气流辅助和多锥面等熔体微分静电纺丝新技术。一方面，本文从原理、装置和工艺等多方面对新技术分别进行了探索和研究，另一方面，运用自组织理论，对熔体微分静电纺丝过程中自由界面上泰勒锥的均分过程进行了研究。
　　本文主要从以下几个方面进行了研究:
　　1、基于熔喷法和熔体微分静电纺丝法成纤的技术特点，提出了熔喷静电微分纺丝技术并设计了纺丝喷头。对喷头形式改变引起的喷头尖端感应电场强度变化进行了模拟分析，并依此对喷头形式进行了优化。该技术可以使熔体在被均分成稳定多射流的同时，在气流包裹作用下拉伸成纤，既保证了纤维的细度，又最大程度的保持了纤维直径的均匀性。通过实验，得出最佳气流速度和温度等参数，为开发高质量的纤维膜制品提供了新的方法和工艺。
　　2、提出了吸气流辅助的熔体微分静电纺丝技术。气流辅助形式的改变，从根本上解决了气流扰动和纤维堆积对泰勒锥分布的影响，又保留了气流对纤维的拉伸效果。实验结果表明，经吸气流辅助的静电纺丝纤维比吹气流辅助的纤维直径的均方差减小了84％。通过对流场和电场的耦合模拟，可知气流对纺丝喷头感应电场强度无明显影响。进行了电场以及流场模拟，分别研究了空气放大器对电场强度的影响以及两种气流辅助形式对纤维的拉伸作用机理，为纤维进一步细化提供了经验和理论指导。该技术已成功在产业化线上得到应用，为进一步提高纤维制品质量提出了解决方案。
　　3、为了进一步提高单位喷头纤维产出效率，提出了多锥面熔体微分静电纺丝新方法。通过对电场的模拟仿真，为多锥面喷头设计找出最优化参数。设计并制造了双层锥面熔体微分静电纺丝喷头及其整体装置，通过实验对模拟结果进行了验证，得出结论，当伸出距离6mm时，内外层锥面尖端感应场强一致，且场强一致性不受施加电压的改变而改变;当熔体微分静电纺丝喷头直径增大，同样可以产生高密度的泰勒锥分布，并形成稳定射流;双层锥面喷头纤维产量是单层锥面喷头产量的3倍。同时，该技术也为生产多组分复合纤维膜提供了新思路。
　　4、运用自组织理论对熔体微分静电纺丝过程中泰勒锥的均布过程进行了解释。通过高速摄像机图像采集，探索了熔体薄膜均分为数十稳定均匀射流的自组织过程。分析了电场强度对自组织过程的影响，研究了单个泰勒锥的形成过程，得到了熔体液滴角度变化曲线，拓展了静电纺丝理论研究的思路。
　　综上所述，本文基于已开发的熔体微分静电纺丝技术，在纤维细化和增效等方面提出了多种新工艺和新设备，并且对其分别进行了理论和实验研究，对泰勒锥自组织过程进行了初步探索，为静电纺丝技术的发展提供了新的研究思路，也为熔体静电纺丝法制备超细纤维产业化发展打下了基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1．1 静电纺丝发展历史

1．1．2 静电纺丝基本理论

1．1．3 静电纺丝设备研究

1．1．4 静电纺丝纤维应用

1．2 熔体微分静电纺丝

1．2．1 熔体微分静电纺丝技术的提出

1．2．2 熔体微分静电纺丝设备的发展

1．2．3 熔体微分静电纺丝的研究现状

1．3 本课题研究目标、研究内容与创新点

1．3．3 研究创新点

第二章 熔喷静电微分纺丝

2．1．2 熔喷静电微分纺丝喷头电场模拟

2．1．3 熔喷静电微分纺丝整体装置设计

2．2 实验部分

2．2．3 试样制备

2．2．6 气流速度对纤维的影响

2．2．7 气流温度对纤维的影响

2．2．8 总结

2．3 小结

第三章 吸气流辅助熔体微分静电纺丝

3．1 吹气流辅助熔体微分静电纺丝

3．2 吸气流辅助熔体微分静电纺丝

3．2．2 实验材料

3．2．3 表征方法

3．2．4 结果与讨论

3．3 纤维细化过程多物理场耦合分析

3．3．1 纤维拉伸过程中的流场分析

3．3．2 纤维拉伸过程中的电场分析

3．3．3 纤维拉伸过程中的电场和流场耦合分析

3．4 小结

第四章 双层锥面熔体微分静电纺丝

4．1 多层结构静电纺丝概述

4．2 多层结构熔体微分静电纺丝喷头模拟仿真

4．2．1 层数对喷头尖端场强的影响

4．2．2 层间距对喷头尖端场强的影响

4．2．3 内层锥面伸出距离对喷头尖端场强的影响

4．3 双层结构熔体微分静电纺丝实验验证

4．3．2 实验材料

4．3．5 测试表征

4．3．6 结果与讨论

4．4 小结

第五章 熔体微分静电纺丝射流自组织过程

5．2．1 实验设备

5．2．2 实验参数及过程

5．2．3 结果与讨论

5．3 自由界面熔体泰勒锥研究

5．3．1 自由界面熔体泰勒锥形成过程

5．3．2 自由界面熔体泰勒锥角度研究

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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