靜電紡PVA納米纖維射流的拉伸研究與模擬初探.pdf

1、靜電紡作為一種新型的生產納米纖維的技術，越來越多的受到學者的關注。目前關于靜電紡的研究大多集中在納米纖維的形態(tài)和應用上，而關于靜電紡過程中射流的拉伸研究卻很少。為了更深入地了解射流的拉伸，本文在前人研究的基礎上，將成纖過程中的射流分成三段：即“轉化區(qū)”射流、穩(wěn)定段射流和不穩(wěn)定段射流，分段研究射流的拉伸，并進一步分析了溶液質量分數(shù)和溶液導電性對射流拉伸的影響。
　　 本文選取聚乙烯醇(PVA)作為研究對象來進行靜電紡絲，通過紡制納

2、米纖維氈來研究溶液質量分數(shù)、施加電壓、接收距離、溶液導電性等參數(shù)對納米纖維直徑的影響，采用掃描電鏡來觀察纖維的直徑及其形態(tài)。對工藝參數(shù)進行正交實驗設計，通過計算分析，確定溶液質量分數(shù)和導電性是影響纖維直徑最重要的參數(shù)。實驗中發(fā)現(xiàn)對于PVA納米纖維來說，當溶液質量分數(shù)較小(小于8％)時，有串珠生成，隨著溶液質量分數(shù)的增加，串珠會逐漸減少并消失，且纖維直徑會逐漸增加；電解質LiCI加入會使紡制的納米纖維的直徑減小，但是當LiCI鹽的含量比較

3、大(大于3％)時，纖維氈上會有少量鹽微粒。
　　 本文的理論工作是通過研究工藝參數(shù)得到的結論(紡絲液質量分數(shù)和導電性是靜電紡絲最有影響的工藝參數(shù))，研究了這兩個參數(shù)對靜電紡過程中射流拉伸形態(tài)和拉伸率的影響。分別配制不同質量分數(shù)(6％、8％、10％、12％、14％)的PVA溶液，在10％的PVA溶液中加入不同含量(0.2％、0.5％、0.8％、1％、2％、3％、4％.)LiCl。對不同質量分數(shù)和不同含鹽量的PVA溶液進行靜電紡絲，

4、利用載玻片分段截取射流，然后放在顯微鏡下觀察測量射流的形態(tài)和直徑。結果表明：在轉化區(qū)，理論分析得到射流的半徑r與射流距離截取點之間的縱向距離z之間的關系為：r～z-1。實驗結果表明溶液質量分數(shù)對射流的拉伸影響很小，特別是當PVA濃度小于10％時，但是當其濃度大于12％時，由于溶液粘度的增加，射流的拉伸率會有所減小。LiCl鹽的加入會提高射流的拉伸率，特別是當鹽的含量低于1％時，射流的拉伸率隨著LiCl含量的增加而增加；當LiCl鹽的含量

5、大于1％時，射流的拉伸率基本保持不變。
　　 在穩(wěn)定段射流階段，當射流表面電荷為滿電荷時，射流的半徑r與縱向距離z之間的關系為：r～z-1/2。紡絲液質量分數(shù)對穩(wěn)定段射流的拉伸沒有影響，但射流直徑會隨溶液質量分數(shù)的增加而增加，兩者之間的關系為dj～C1.2713；而鹽的含量對穩(wěn)定段射流的拉伸有較大的影響，設射流的表面電荷參數(shù)為m，則穩(wěn)定段射流的半徑r與射流縱向距離z之間的關系關系為r～z-m/(1+m)。對于本文研究的PVA溶液

6、，當鹽的含量達到1wt％時，射流表面電荷已達到滿電荷，即當LiCl鹽的含量等于或大于1 wt％時，射流的拉伸率保持不變；當LiCl鹽的含量小于1wt％時，溶液表面電荷參數(shù)m與LiCl的濃度成線性關系：m=wt％LiCl。對于不穩(wěn)定段射流，射流的半徑r與射流距離截取點之間的縱向距離z之間的關系為：r～z-1/4，溶液的質量分數(shù)和導電性對該階段射流的拉伸都沒有影響。
　　 由于靜電紡中射流在高壓靜電場中的高速復雜運動，且射流本身直徑

7、很小，用實驗的方法研究相對比較困難，因此本文將數(shù)值模擬應用到靜電紡中，希望通過軟件模擬的方法得到成纖過中射流在不同靜電紡條件下的變化規(guī)律，從而通過控制射流來控制接受裝置上的纖網。本文通過比較分析，采用了專用于粘彈性材料流動仿真的CFD軟件包中的POLYFLOW軟件，模擬成纖過程中穩(wěn)定段射流的運動狀態(tài)和拉伸形態(tài)，并對模擬結果進行驗證。模擬結果表明：在溶液流量一定的情況下，隨著拉伸力的增加，射流直徑的細化速度加快，但拉伸力過大，射流直徑會出