氣泡靜電紡原理及納米纖維形貌控制與應(yīng)用研究.pdf

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(dòng)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(shí)還存在纖維形貌不穩(wěn)定等問(wèn)題。為了控制納米纖維形貌及開(kāi)發(fā)其應(yīng)用，本文首先分析了其紡絲基本原理以及分類(lèi)方法，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行納米纖維形貌控制研究。
　　為了探明氣泡動(dòng)力學(xué)對(duì)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(duì)產(chǎn)品形貌的影響，

2、發(fā)現(xiàn)（1）氣泡增大到某一閾值時(shí)，大氣泡破裂時(shí)會(huì)形成子氣泡甚至二級(jí)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(shí)，形成球形微珠；滿足10.6h>4πh時(shí)，形成扁平帶狀纖維；（3）當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，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??；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(chǎng)作用下氣泡的變形過(guò)程，得出了氣泡破裂的臨界電場(chǎng)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(duì)納米纖維形貌的影響，本文對(duì)各參數(shù)的影響機(jī)制進(jìn)行了理論分析

4、，提出預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)階段，其關(guān)系為r~z-1/4；（3）通過(guò) ANSYS軟件模擬電場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)同一等勢(shì)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(dòng)時(shí)間與纖維直徑間的關(guān)系為d∝t0.33，振動(dòng)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(guò)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(guò)添加無(wú)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(shì)；（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(huì)繼續(xù)降低溶液的表面張力，反而會(huì)

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(duì)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(dòng)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(dòng)規(guī)律及其對(duì)產(chǎn)品形貌成形的影響，發(fā)現(xiàn)射流具有脈動(dòng)性，由于表面張力、電場(chǎng)力等耦合作用，射流徑向運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，氣泡薄膜運(yùn)動(dòng)至接收極

7、板時(shí)發(fā)生振動(dòng)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(dòng)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(jì)、納米纖維潤(rùn)濕機(jī)理及應(yīng)用、仿蠶繭結(jié)構(gòu)納濾膜設(shè)計(jì)和納米纖維批量化制備。研究發(fā)現(xiàn)：（1）只有當(dāng)移動(dòng)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(shí)，