針輥式溶液微分靜電紡絲納米纖維高效制備機(jī)理及工藝研究.pdf

1、納米纖維是一種應(yīng)用廣泛的功能材料，主要用于高效過(guò)濾、生化防護(hù)服、鋰電池隔膜、柔性傳感器等，由于其具有較高的比表面積，在生物醫(yī)藥方面也有很大的應(yīng)用前景，比如用于組織工程的生物支架、藥物緩釋及傷口敷料等。靜電紡絲技術(shù)是一種簡(jiǎn)單高效制備微納米纖維的方法，而且可紡聚合物種類很廣泛，可以滿足各種實(shí)際應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的單針頭靜電紡絲生產(chǎn)效率極低。增加針頭數(shù)量可以增加紡絲產(chǎn)量，但針頭間距大造成設(shè)備體積龐大，電場(chǎng)分布不均勻，針頭易堵塞，不易清洗。一種能

2、夠自發(fā)形成密集多射流的微分靜電紡絲技術(shù)能有效克服這些問(wèn)題，但現(xiàn)有的微分靜電紡絲技術(shù)仍存在紡絲電壓高、制備的纖維直徑分布不均勻以及纖維產(chǎn)量較低等不足。因此，本論文提出了一種新型的針輥式溶液微分靜電紡絲技術(shù)，重點(diǎn)圍繞針輥式溶液微分靜電紡絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、可行性實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證、針片微分噴頭的電場(chǎng)強(qiáng)度分布以及工藝參數(shù)等方面進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計(jì)搭建了針輥式溶液微分靜電紡絲裝置;采用PVA/H2O溶液對(duì)該裝置進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3、，初步探究了最佳的紡絲工藝參數(shù);同時(shí)通過(guò)單反相機(jī)記錄觀察纖維成型過(guò)程，研究其成型原理。結(jié)果表明，保證射流被充分拉伸固化成纖和溶劑揮發(fā)完全，該系統(tǒng)最佳紡絲距離為120mm;保證針片尖端能夠連續(xù)產(chǎn)生均勻多射流的最低電壓為35kV;保證針片尖端均勻蘸取一層紡絲液膜并連續(xù)產(chǎn)生多射流的最佳針片輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為30r/min。
　　(2)通過(guò)ANSYS有限元電場(chǎng)模擬分析，驗(yàn)證了針片微分噴頭的尖端效應(yīng)，以有效降低紡絲閾值電壓;系統(tǒng)研究了針長(zhǎng)度、針密度

4、、針間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及采用不同接收方式對(duì)該系統(tǒng)紡絲空間內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小和分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明，針片長(zhǎng)度對(duì)紡絲空間的電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度分布影響較小;隨著針片密度的增加，雖然最大電場(chǎng)強(qiáng)度值有一定量減小，但針片尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性明顯提高，主要集中在針片尖端最頂端。模擬對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的微分噴頭表明，針片微分噴頭的尖端處電場(chǎng)強(qiáng)度值最大，而且電場(chǎng)線分布最集中。在多針片系統(tǒng)中，隨著針片間距的增大，紡絲空間內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性大大提高。
　

5、　(3)系統(tǒng)研究了針輥式溶液微分靜電紡絲系統(tǒng)中針片間距、紡絲液濃度和紡絲電壓對(duì)制備的納米纖維直徑分布和纖維產(chǎn)量的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVA濃度9wt.％及紡絲電壓40kV時(shí)，隨著針片間距的增加，纖維直徑分布更加均勻，纖維產(chǎn)量先增加后減小。針片間距10mm及紡絲電壓40kV時(shí)，增大紡絲液濃度，雖然產(chǎn)量提高了，但纖維平均直徑增加，均勻性也比較差。在適當(dāng)范圍內(nèi)提高紡絲電壓有利于減小纖維直徑但減小幅度變緩;而且增加紡絲電壓可以有效激發(fā)更多的