氣泡靜電紡產(chǎn)品成形機理及增韌應用研究.pdf

1、納米纖維是指直徑小于100nm,長徑比大于100的一維韌性固體材料。由于擁有高比表面積、高表面反應活性、高孔隙率、優(yōu)良的熱導與電導性能等諸多優(yōu)點,納米纖維在生物醫(yī)用、催化過濾、傳感器、復合材料等方面取得了廣泛應用。相比于其他微米、納米纖維的制備方法,靜電紡絲是最直接、最有效的制備工藝,然而纖維細度較粗、副產(chǎn)品較多、產(chǎn)量較低等缺陷遏制了靜電紡絲規(guī)?；?、工業(yè)化的進程。為克服傳統(tǒng)靜電紡絲的發(fā)展瓶頸,氣泡靜電紡絲工藝應運而生?；谧匀唤缰┲爰徑z

2、的原理,氣泡靜電紡絲將氣泡巧妙地引入紡絲過程,實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效地制備納米纖維。本文從紡絲的工藝參數(shù)著手,分別研究了紡絲電壓、接收距離以及氣體流量對紡絲過程中氣泡、射流及產(chǎn)品的影響,著重討論了電壓的作用。借助標度律法、N-S方程對電場中的粘性氣泡進行分析,得到電壓與纖維直徑存在:d=[α(V-V0)]-1/4的函數(shù)關系,即d∝V1/4。揭示出電壓越高,氣泡靜電紡纖維直徑越小。進行實驗驗證,發(fā)現(xiàn)該規(guī)律與實驗數(shù)據(jù)能夠很好的吻合。然后,討論了接收

3、距離的改變對纖維細度的影響。發(fā)現(xiàn)接收距離增大,纖維總體細度下降,在8cm時纖維的平均直徑與最小直徑同時優(yōu)化,分別為100nm和36nm。在對氣體流量的研究中得出:流量增大,纖維的直徑先增大后減小,紡絲產(chǎn)量大有提高,但纖維形貌變差。當流量為0.4L/min時,平均直徑和最小直徑達到最小,分別為97nm和50nm。溶液性能是最能影響氣泡特性的參數(shù)集合。本文分別從溶液的粘度(濃度、分子量)、電導率、表面張力、溶劑等方面出發(fā),討論工藝過程與產(chǎn)品

4、結(jié)構(gòu)的變化,其中著重討論了粘度的作用。運用標度律法分別討論了粘度、濃度、直徑三者之間的函數(shù)關系。通過PLA/DMF紡絲實驗,得到溶液粘度與濃度存在關系:η∝c3,直徑與濃度的關系為:d∝c2,于是推導出直徑與粘度的關系滿足:d∝η2/3。將粘度與纖維直徑為坐標的函數(shù)點進行曲線擬合,得到函數(shù)關系:d∝η0.667,與理論推導結(jié)果完全吻合,由此可根據(jù)該關系對纖維產(chǎn)品進行調(diào)控。通過添加無機鹽LiCl改善PLA/DMF的導電性能,發(fā)現(xiàn)隨著電導率

5、的增大,纖維形貌得到有效改善。但由于溶解度有限,溶解過飽和后電導率值恒定,再增大添加量反而導致產(chǎn)品形貌惡化。對表面張力的研究發(fā)現(xiàn):添加非離子表面活性劑Span20的紡絲液粘度大幅降低,表面張力變化不大,導電率基本不變,紡絲產(chǎn)品只有微珠,無益于紡絲性能的改善。并通過將具有不同揮發(fā)性能的溶劑(二氯甲烷與N,N-二甲基甲酰胺)配比后配制紡絲液,可以制備表面多孔納米纖維。電場中氣泡與射流的動力學特征是本文研究的核心內(nèi)容。使用高速攝影儀拍攝出電場

6、中氣泡的變形過程,計算并證明了氣泡泰勒錐的臨界半錐角為33.02°。運用達朗貝爾原理研究了電場中射流的方向性運動,闡明氣泡膜破碎邊緣形成“脖頸”形態(tài)的力學成因。根據(jù)量綱分析法并運用Π定理,得到射流初始速度與氣泡膜厚度的關系:(V是初始速度,FE為電場力,h氣泡膜的厚度,ρ為溶液的密度,σ為表面張力),進一步根據(jù)能量法推導出:V=λ/h(λ為常數(shù),λ=λFE1/2ρ-1/2)。說明氣泡膜的厚度決定射流的速度,證明了氣泡靜電紡絲過程多重射流

7、的產(chǎn)生部位位于氣泡的上半部分。討論了氣泡靜電紡的產(chǎn)品成形規(guī)律:(1)當氣泡膜的雷諾數(shù)滿足氣泡破碎形成子氣泡及層級射流,紡絲產(chǎn)品由一級或二級射流以及膜碎片形成。(2)氣泡膜在電場中撕裂出寬度為a的矩形膜:當a→h,紡絲產(chǎn)品為球形微珠,微球直徑滿足d=6h;(3)當a/h=4π,紡絲產(chǎn)品為截面圓形的柱狀纖維,纖維直徑滿足d=4h;(4)當a＞＞h,形成扁平的帶狀纖維。本文將板殼振動理論引入產(chǎn)品成形分析。將撕裂出的矩形氣泡膜視為矩形薄板,依據(jù)

8、Rayleigh (?)去計算出薄板的固有頻率為:(D為剛度)。于是,當h/a2＜＜fn/k時,外界擾動或激勵很難使得薄板形成脈沖響應,因此得到連續(xù)帶狀纖維產(chǎn)品。當h/a2(?)fn/k年時,薄板極易產(chǎn)生自由振動,形成不連續(xù)的“椎骨”纖維。當f外(?)fn,即驅(qū)動力的頻率f外與薄板膜的固有頻率h/a2相等或相近時,一般滿足0.75＜f外/fn≤1.25時,薄板發(fā)生共振現(xiàn)象。系統(tǒng)此刻從外界最大限度地吸收能量,薄板無法承受而破壞形成膜碎片,

9、相應的產(chǎn)品可能為微珠。借助流體力學軟件Fluent進一步研究射流的動力學行為。通過模擬出純電場的空間分布,有、無電場作用時射流的運動特性。并通過捕捉射流跡線圖,以及紡絲實驗驗證,證實了氣泡靜電紡絲的射流也存在運動不穩(wěn)定性。最后,本文對氣泡靜電紡納米纖維膜的應用進行了初步探索。利用熱塑性塑料優(yōu)越的力學性能和納米纖維膜高比表面積、高孔隙率的特性,制備不同厚度的聚醚酰亞胺納米纖維膜改善碳纖維復合材料的層間韌性。發(fā)現(xiàn)不同膜厚度增韌的雙懸臂梁(D