矩形排列四喷头喷气静电纺纳米纤维的制备-论文.pdf

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1、第27卷第2期纺织高校基础科学学报Vo1．27，NO．22014年6月BASICSCIENCESJOURNALOFTEXTILEUNIVERSITIESJun．。2O14文章编号：1006—8341(2014)02—0248—05矩形排列四喷头喷气静电纺纳米纤维的制备徐争涛，樊建彬。，马柯，何建新。(1．西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048；2．河南省纺织建筑设计院有限公司，河南郑州450007；3．中原工学院河南省功能性纺织材料重点实验室，河南郑州450007)摘要：为了提高纳米纤维

2、的产量，设计了一种矩形排列的四喷头组合式静电纺丝装置．模拟不同喷丝单元间距时的电场分布，研究了电场分布对纳米纤维的射流、产量、面积和纤维形貌的影响．研究发现，纳米纤维的产量和面积随着喷丝间距的增加先增大后减小．在喷丝单元间距为9cm时，喷丝效果最好，纳米纤维的产量最大为2．2667g／h，喷丝面积最大．喷丝单元的间距对纤维的形貌影响不大．关键词：矩形四喷头喷气静电纺；不同间距；电场模拟；射流；形貌中图分类号：TS103．1文献标识码：A0引言目前通过静电纺丝制备的纳米纤维主要呈无纺布状，具有很高

3、的比表面积以及良好的力学性能和热电传导性，这些优点使其在过滤材料Ⅲ、生物医用材料、传感器啪等方面得到了广泛的应用．多针头静电纺丝主要是通过增加针头的数量来达到增加纳米纤维产量的目的，但是研究发现由于针头的小尺寸效应在电场中会产生“电晕放电”现象，因此对针头之间的距离以及布置都有较高的要求，采用多针头式静电纺丝的产量较低，并且在纺丝工程中针头容易堵塞，不利于纺丝的连续性，严重影响了纳米纤维的发展．为了解决这个问题，研究人员们开始进行无针头静电纺丝装置的研究引，试图通过增加泰勒锥的数量和体积来提高纤

4、维的产量，研究的主要成果有滚筒式、电磁式、溅射式。和气泡式。等静电纺丝设备．刘雍和何吉欢提出气泡静电纺丝法，在溶液表面形成气泡，气泡破裂后形成具有一定初速度的多股射流，提高了纳米纤维的产量，但由于其开放的供液系统导致纺丝液的浓度发生变化，并且形成的气泡大小不均匀，使得到的纳米纤维直径分布不均．文中设计出一种新型的多喷头封闭式静电纺丝装置，研究在不同纺丝单元间距下，多喷头电场的分布情况和纳米纤维的产量及形貌．1实验1．1材料聚丙烯腈(PAN，平均相对分子量为50ooo)，二甲基甲酰胺(DMF，上海

5、化学试剂公司)．将烘干的PAN粉末溶解在DMF溶液中，在80℃条件下搅拌4h充分溶解，制得质量分数为15的均匀透明的静电纺溶液．收稿日期：2013—11-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51203196)；河南省人才培养联合基金资助项目(U1204510)通讯作者：何建新(1977一)，男，江苏省靖江市人，中原工学院副教授，博士．E-mail：hejianxin771117@163．tom第2期矩形排列四喷头喷气静电纺纳米纤维的制备2491．2四喷头矩形静电纺丝装置为了实现批量化生产纳米

6、纤维，本中设计了四喷头矩形排列静电纺丝装置，如图1所示．以单喷头为基本纺丝单元，将4个喷头呈矩形排开．该纺丝单元由16mm内径的喷头(存放纺丝液和形成自由液面)、气泡发生装置(气流由空压机统一供给)、溶液储存和输出装置(由注射泵储存和输出)、高压发生装置和接收板、电极等几部分组成．其中，喷头的上端由金属电极和储液室2部分组成，储液室由供液装置以一定的速度供液；下端为气室，用供气装置匀速的供给气体，使溶液室内自由液面生成稳定的气泡，气泡位于正负极之间，正好处于静电场中．纺丝工艺参数为：接收板到喷头

7、的接收距离为18cm，纺丝电压为30kV，溶液的供给速度为8mL／h，通气量为1lOOmL／min．1．3电场模拟实验对4个喷头进行矩形排列，相邻2个喷丝单元的间距分别为8cm，9cm，lOcm．在上述条件下，使用Maxwell电场模拟软件进行不同间距的电场模拟．1．4扫描电镜观察在JSM一5600LV扫描电子显微镜下观察纳米纤维的表面形貌．测试条件：恒温(20+2)℃，相对湿度(65±5)，加速电压20kV，测试前样品进行镀金处理．图1四喷头矩形静电纺丝装置效果图1-底座；2一导管；3⋯气泵；

8、一注射泵；5一高压发生器；2结果与分析6-接收板；7喷头；8一导线2．1不同间距下的电场模拟在矩形排列的四喷头喷气静电纺丝中，矩形排列的单喷头除了要受到水平和竖直方向上相邻喷头的影响外，还要考虑对角线方向上喷头电场的影响．本节通过Maxwell12软件进行喷丝单元在不同间距下的电场模拟，图2(a)～(c)，即为电极模拟图的主视图和俯视图．如图2所示，喷头水平和竖直方向上的间距都是从8cm增加到lOcm，在此主要讨论喷丝过程中各喷头之间可能受到的电场影响．主视图中箭头的方向代表电场力的方向，箭头的