轉(zhuǎn)盤式靜電紡絲裝置的工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、納米纖維由于具有高透氣性、高比表面積、孔隙率大等特點(diǎn)，在空氣過(guò)濾、污水處理、復(fù)合材料、生物組織等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。靜電紡絲技術(shù)由于其制備工藝簡(jiǎn)單、纖維成型優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為納米纖維制備的重要方法，但產(chǎn)量過(guò)低是制約其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。針對(duì)傳統(tǒng)單噴頭產(chǎn)量低和多噴頭存在堵塞及電場(chǎng)干擾等問(wèn)題。本文在傳統(tǒng)靜電紡絲制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型轉(zhuǎn)盤式靜電紡絲裝置，并圍繞該裝置的工作機(jī)理、紡絲工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行相關(guān)研究。
　　本文首

2、先對(duì)該裝置的工作機(jī)理進(jìn)行了研究。具體為：通過(guò)電場(chǎng)仿真及實(shí)驗(yàn)分析，研究了電極結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度大小、分布區(qū)域以及對(duì)紡絲溶液涂覆效果的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，曲率較小的地方場(chǎng)強(qiáng)較大，不同閥值場(chǎng)強(qiáng)下電極尖端角度對(duì)場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域分布影響趨勢(shì)不同，電極尖端角度大溶液濃度低以及角度小濃度高的時(shí)候溶液涂覆效果較好。建立臨界狀態(tài)下電極表面液膜的受力模型并進(jìn)行受力分析，理論上推導(dǎo)出臨界電場(chǎng)強(qiáng)度E與溶液性質(zhì)（表面張力γ，介電常數(shù)ε，溶液濃度ρ）、電極結(jié)構(gòu)（尖端角度θ）、

3、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n的關(guān)系：Eγ，Eθ，Eρ，Eε-1，n對(duì)E影響不大。在前人研究的基礎(chǔ)上，建立裝置帶電射流的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行射流的受力分析，運(yùn)用標(biāo)度率法，理論上推導(dǎo)出各個(gè)階段射流直徑與距離之間的關(guān)系：r-z-1、r-z-1、r-z0，以及初始階段射流直徑與電壓之間的關(guān)系：r-U-1。
　　通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合前文理論推導(dǎo)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析及方差分析，進(jìn)一步研究溶液濃度、尖端角度、紡絲電壓、收集距離及電極轉(zhuǎn)速對(duì)纖維直徑的影響規(guī)律。研究

4、發(fā)現(xiàn)，降低濃度、尖端角度及轉(zhuǎn)速，增大電壓有利于纖維細(xì)化，其中，濃度及角度影響顯著，轉(zhuǎn)速影響最小。通過(guò)驗(yàn)證分析，最終得到一組最優(yōu)工藝參數(shù)：溶液濃度9％，尖端角度60°，紡絲電壓55Kv，收集距離15cm，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速30rpm。
　　針對(duì)裝置產(chǎn)量應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了同盤徑等間距、同盤徑等差間距、漸小盤徑固定間距、漸大盤徑固定間距等四種不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的多盤電極，運(yùn)用COMSOL電場(chǎng)仿真軟件分析各種電極表面電場(chǎng)均勻性的改善措施，并通過(guò)樣本數(shù)據(jù)擬合

5、獲得四種電極的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)四種最優(yōu)結(jié)構(gòu)所制得納米纖維的直徑及產(chǎn)量進(jìn)行分析。研究表明：上述四種形態(tài)的多盤電極均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的優(yōu)化，其中，等間距多盤電極的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形態(tài)為間距值180mm，其制得的纖維質(zhì)量較好（直徑200nm，不均率14%），盤均產(chǎn)量較高（5.21g/hr）；漸大盤徑多盤電極的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形態(tài)為等差值35mm，其制得纖維的質(zhì)量及產(chǎn)量略差于前者，但其電極占地空間約為前者的一半。
　　通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)盤式電紡裝置的工作