辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析开题报告

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1、开题报告辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析一、选题的背景、意义1静电纺丝的历史背景纳米纤维具有大比表面积和小尺寸效应等特点，被广泛应用于材料应用领域。静电纺丝制备纳米纤维是最简单、最便宜和最直接的方法之一，自20世纪90年代以来，一直是研究的热点。1902年Cooley和Morton申请了世界上第一项关于静电纺丝的专利[1]，从此揭开了静电纺丝研究的序幕。1934-1944年Formhals[2]在没有使用喷丝嘴的条件下自主设计了10个关于静电纺丝的装置，并申请了专利。1966年Simons[3]用已申请静电纺丝技术专利的装置制备了超细纤维无纺布，推动

2、了静电纺纺丝的进一步发展。到了1971年，Baumgarten[4]研究了溶剂和工艺参数对静电纺丝纤维结构性能的影响。产量低及纺丝过程中射流的不稳定性是制约其进一步发展的瓶颈，进而给静电纺丝走向产业化造成了一定的阻力，而多喷头装置和辅助电极的应用是实现其高产量和稳定射流的一个重要的方向。2静电纺丝的意义静电纺是目前能够制备直径低至几个纳米的连续纤维的唯一方法。这种方法可适用于合成及天然聚合物、聚合物合金及载有发色团、纳米粒子或者活性剂的聚合物，也可应用于金属和陶瓷纳米纤维的制备。利用特殊的静电纺丝法，可以生产出具有复杂结构的纤维。例如皮芯纤维或者中空纤维。另外也有可

3、能制备出从单纤维到纤维有序排列的结构。静电纺不仅仅在大学试验室中得到应用，而且也逐渐应用到企业。应用领域非常广泛，包括光电子器件、传感器技术、催化、过滤以及医学等。二、相关研究的最新成果及动态静电纺丝过程中使用多喷头可以大幅增加纳米纤维的产量，辅助电极的应用可以稳定电场从而得到均匀的纳米纤维，本文对于这两者的研究动态做了如下概述：1喷头研究的最新成果及动态静电纺丝的喷头类型可按不同的方法分类，如按喷头的数量分类，主要有单喷头、双喷头、多喷头和无喷头等类型。单喷头静电纺丝的设备7简单，但产量低。为了提高静电纺丝的产量和定制纤维的特殊性能，科研工作者对喷头数量或(和)喷

4、头形式进行了改进。1．1单喷头单喷头静电纺丝的改进主要致力于改善纤维的形态和性能。气流单喷头静电纺丝是在喷头处引入一股压力气流，加速纺丝液喷出，这种方式可以增加纤维的均匀性和细度。有研究员通过气流静电纺丝装置制备了平均直径为80nm的PES纳米纤维，发现毛细管内径越小和气流流动速率越大，所制得纤维的直径就会越小。也有人用类似的空气驱动静电纺丝装置研究了静电纺丝。该装置是利用空气流从上部沿器壁成切线漩涡流动，由此制备的聚己内酰胺亚微米细丝不但具有波浪纹的效果，而且没有串珠缺陷。共轴静电纺丝主要是用于制备皮芯结构纤维或空心纤维。DanLi[7]等通过共轴静电纺丝装置制备

5、了聚合物／无机物或两种不相容溶液的共轴纤维，通过随后溶去纤维芯层的聚合物或化合物，可得到中空纤维。有人利用双共轴和三共轴的静电纺丝装置进行静电纺丝，在接收板和喷头分别连接负电压和正电压，最后获得了直径分布在350～400nm的木质素纳米纤维，这是生产木质素纤维的一项重大进展。此后也有人通过共轴静电纺丝装置制备了PU(皮)／PA6(芯)纳米纤维，这种纤维展现出来的性能介于PU纤维与PA6纤维各自性能之间，达到了性能互补的效果。1．2双喷头MeiLi[8]等分别连接正电压和负电压的双喷头高速双电极装置静电纺丝，使静电纺丝的纤维在两喷头之间相互作用和桥接，经过圆柱状转鼓拉

6、伸后，发现纤维之间出现了很多缠结，并且纤维具有三维各向同性的网状结构，另外，采用该双电极模型静电纺丝所得纤维的产量比单电极模型静电纺丝所得的至少提高了170倍。有研究员也采用了一对分别连接正负电压的喷头进行静电纺丝，两个喷头所喷出的纤维由于带相反的电荷而发生互相吸引，继而粘结在一起，经圆柱形转鼓收集形成纳米纤维纱。这种方法制备的纤维纱连续且单轴排列好。1．3多喷头多喷头静电纺丝是目前增加产量的有效方法之一，也是静电纺丝工业化生产的主要发展方向之一。多喷头静电纺丝法中的多个喷嘴平行或成一定阵形排布，引入电场后，形成的喷射细流间会出现电场的相互干扰，而通过引入辅助电极可

7、在一定程度上克服这种弊端。有研究员利用多喷头静电纺丝法制备PVA／CA复合纳米纤维毡，喷头通过平行于接收辊的导轨来回运动，使纤维均匀地喷到接收辊上，最终制得厚度均匀的PVA／CA复合纳米纤维毡。该研究提供了一种解决多喷头静电纺丝过程中射流相互干扰不能制备厚度均匀的纤维毡的方法。有研究员则从理论上研究了多喷头静电纺丝过程中射流干扰的问题，对比了单喷头、并列多喷头和3×37矩阵排列多喷头的射流运动过程，并建立了相应的模型，得出在多喷头排列形式中，中间射流运动轨迹受射流的影响较小，而旁边的射流运动轨迹受的影响则较大，这为解决多喷头静电纺丝的射流在电场中相互干扰的问题提