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文檔簡介
1、氣泡靜電紡絲技術(shù)是受蜘蛛紡絲原理啟發(fā),應(yīng)用氣泡動力學(xué)原理提出的一種新型的納米纖維制備技術(shù),研究至今,已取得了一定的研究成果。然而,該技術(shù)制備納米纖維時還存在纖維形貌不穩(wěn)定等問題。為了控制納米纖維形貌及開發(fā)其應(yīng)用,本文首先分析了其紡絲基本原理以及分類方法,并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了相關(guān)實驗,進(jìn)行納米纖維形貌控制研究。
為了探明氣泡動力學(xué)對納米纖維形貌的影響,本文分析了氣泡大小、氣泡膜形狀、氣泡壁厚度以及氣泡熱力學(xué)參數(shù)對產(chǎn)品形貌的影響,
2、發(fā)現(xiàn)(1)氣泡增大到某一閾值時,大氣泡破裂時會形成子氣泡甚至二級子氣泡,使得制備的納米纖維平均直徑減??;(2)寬度為a的氣泡膜滿足 a=10.6h(h為氣泡膜厚度)時,形成球形微珠;滿足10.6h>4πh時,形成扁平帶狀纖維;(3)當(dāng)環(huán)境溫度不變時,氣泡內(nèi)部溫度的升高,纖維平均直徑增大;在氣泡內(nèi)部溫度不變,環(huán)境溫度越高,纖維的平
3、均直徑越小;當(dāng)溶液溫度升高,溶液粘度減小,電導(dǎo)率升高,制備的納米纖維直徑減小。使用高速攝影儀拍攝出電場作用下氣泡的變形過程,得出了氣泡破裂的臨界電場強(qiáng)度,臨界半錐角為31.9°,臨界氣泡膜厚度為h=0.85h0(h0為氣泡膜初始厚度)。根據(jù)伯努利方程初步推算出射流初速度為97m/s,并根據(jù)量綱分析得到射流初速度,確定了影響氣泡破裂和射流速度的關(guān)鍵因素。
為了研究紡絲參數(shù)對納米纖維形貌的影響,本文對各參數(shù)的影響機(jī)制進(jìn)行了理論分析
4、,提出預(yù)測模型,并進(jìn)行了實驗驗證。研究表明:(1)電壓越高,纖維直徑越細(xì);(2)初始階段射流半徑與接收距離關(guān)系為r~z-1/2;在不穩(wěn)定運(yùn)動階段,其關(guān)系為r~z-1/4;(3)通過 ANSYS軟件模擬電場分布發(fā)現(xiàn)同一等勢線兩端的連線是互相平行的,使得制備的纖維呈現(xiàn)高取向分布;(4)超聲波振動時間與纖維直徑間的關(guān)系為d∝t0.33,振動功率與纖維直徑間的關(guān)系為d∝P1.22;(5)運(yùn)用標(biāo)度律法分別討論了粘度、濃度、直徑三者之間的函數(shù)關(guān)系。
5、通過絲素溶液紡絲,得到溶液粘度與濃度存在關(guān)系:η∝c2.6;直徑與濃度的關(guān)系為:d∝c2.3;推導(dǎo)出直徑與粘度的關(guān)系滿足:d∝η0.87。將粘度與纖維直徑的函數(shù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合得到:d∝η0.8777,與推導(dǎo)結(jié)果完全吻合;(6)通過添加無機(jī)鹽LiBr·H2O改善了PVA溶液的導(dǎo)電性能,制備的納米纖維直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;(7)添加極少量的SDBS,有利于溶液表面張力的降低;然而SDBS的含量提高,卻不會繼續(xù)降低溶液的表面張力,反而會
6、使溶液的電導(dǎo)率急劇提高,使得制備的纖維相貌變差,纖維直徑變粗;(8)對于固定的一種溶液,存在最優(yōu)的環(huán)境濕度值,可使得其氣泡靜電紡絲得到的產(chǎn)品形貌最好。
本文討論了射流運(yùn)動的控制方程,分別分析了牛頓流體與非牛頓流體射流的運(yùn)動規(guī)律及其對產(chǎn)品形貌成形的影響,發(fā)現(xiàn)射流具有脈動性,由于表面張力、電場力等耦合作用,射流徑向運(yùn)動可形成串珠纖維形貌,且得到珠與珠之間距離與周期的標(biāo)度律關(guān)系。
在氣泡靜電紡絲過程中,氣泡薄膜運(yùn)動至接收極
7、板時發(fā)生振動形成納米卷曲纖維。本文將破裂的氣泡薄膜看作為彈性梁,根據(jù)Euler-Bernoulli梁理論以及哈密頓最小作用量原理建立了氣泡薄膜的振動控制方程,并將納米卷曲纖維成形理論應(yīng)用于填塞箱卷曲紗的工業(yè)化生產(chǎn)與改進(jìn)中。
最后,本文探討了氣泡紡納米纖維的多種應(yīng)用,包括最小阻力泳衣設(shè)計、納米纖維潤濕機(jī)理及應(yīng)用、仿蠶繭結(jié)構(gòu)納濾膜設(shè)計和納米纖維批量化制備。研究發(fā)現(xiàn):(1)只有當(dāng)移動表面的分形維數(shù)與在埃米尺度下流相的分形維數(shù)一致時,
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