多针头静电纺丝的数值模拟分析

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1、学校代码：10255学号：2131306硕士学位论文多针头静电纺丝的数值模拟研究NUMERICALSIMULATIONSTUDYOFMULTI-NEEDLEELECTROSPINNING学科专业：动力工程作者姓名：张蒙指导老师：顾平道完成日期：2015年05月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责

2、，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日2东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日多针头静电纺丝的数值模拟研究摘要静电纺丝是一种制取纳米纤

3、维简单而经济的方法。采用电场力作为拉伸力是静电纺丝和传统干湿法纺丝最大的不同之一，静电纺丝喷头的电场分布影响了射流的形成和运动轨迹，因此研究静电纺丝的电场是很必要的。最近国内开始了多针头静电纺丝的研究，但其缺陷是在纺丝过程中，其它针头的引入会引起原有针头局部电场的下降。本文利用COMSOLMultiphysics软件对静电纺丝针头的电场进行模拟，能够简单而直观地显示出电场的分布，进而全面深入地分析场强对纤维形成的影响，为工业化生产静电纺纳米纤维提供参考。本文从模拟传统单针头静电纺丝的电场出发，建立几何模型，施加激励源后得到电场分布

4、图，分析等位线和电场强度矢量图以及电场强度云图，结合电流体力学理论，得出液滴锥尖处具有最大的表面电荷密度和电场强度，电场力最先在此处克服溶液的表面张力而喷出射流。采用COMSOLMultiphysics有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中的电场场强大小与分布进行了模拟分析，对过程参数如纺针数量、直径、长度、间距以及电压对各针场强大小与分布的影响进行了系统研究，以探寻过程参数对场强分布的影响和出现“边缘效应(endeffect)”的理论依据。结果发现，对于单针头静电纺丝，场强峰值出现在针尖部位，而在线性排列的多针头静电纺丝中，中间纺

5、针的场强受到抑制变小，场强峰值出现在两侧纺针的针尖外侧，从而导致“边缘效应”现象。此外，随着纺针数量、直径和长度的增加，两侧纺针场强峰值下降显著，而电压的增大和接收距离的减小则使场强峰值明显增大。然而，静电纺丝产量低是这种技术从实验室走向产业化生产及应用的最大障碍。本文通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维，主要研究材料制备过程中施加电压、接收距离、纺针间距等因素对纳米纤维形貌、尺寸、均匀度等特性的影响。采用的表征手段主要是扫描电I子显微镜（SEM），同时借助于数字电导仪、Image-ProPlus软件等来分析直径及其分布规律，通过

6、扫描电子显微镜来观察纤维丝的形貌，通过能够表征直径分布的直条图直观的看出直径分布规律。关键词：多针头；静电纺丝；电场分布；数值模拟；PANIINUMERICALSIMULATIONSTUDYOFMULTI-NEEDLEELECTROSPINNINGABSTRACTEletrospinningisastraightforwardandcosteffectivemethodforfabricatingsubmicronfibers.Theelectricforceusedasdrawingforceisoneofthemostrema

7、rkabledifferencesbetweenelectrospinningandtraditionaldry/wetspinning.Theelectric-fielddistributionofspinnerethasveryimportantinfluenceontheformationandtrajectoryofjets.Thereforeitisverynecessarytoresearchtheelectricfieldinelectrospinning.Tomeethighliquidthroughputrequ

8、irements,intherecentpastmulti-nozzlesystemhavebeentestedinChina.ThecomputationalsoftwareCOMSOLMultiphysicswasadoptedtosimula