喷气纺纳米纤维的成纱机理与实验

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静电纺纳米纤维因其超细尺度、高表面积和孔隙率等特点,已在多领域显示其广阔的应用前景。但是,纳米纤维只有加工成连续的纱线,才能运用机织、针织、编织等纺织技术加工,从而将纳米纤维融合到市场更广阔、更有意义的传统纺织品中。纳米纤维纱中纤维沿轴取向可赋予材料独特的光学、电学、力学性能,因而有更高附加值的运用。本文提出了一种新的静电纺纳米纤维喷气纺纱的方法,利用多喷头封闭式喷气静电纺批量制备纳米纤维,基于多重共轭电纺原理实现纳米纤维的集聚、取向和连续成束,再通过三维旋转的气流完成批量纳米纤维的加捻和连续成纱。将电场、流场的数值模拟和实验相结合,重点优化喷气静电纺的装置参数、多重共轭集聚电场的分布和喷嘴结构,在表征纳米纤维成纱结构的基础上,研究纳米纤维喷气纺成纱机理,形成一种可批量连续制备静电纺纳米纤维纱的喷气纺纱技术。首先设计了一个纺丝单元的喷气静电纺丝装置,研究了电场分布、通气速度、溶液流量、电压等工艺参数对纳米纤维毡的产量、面积及纳米纤维的微观形貌的影响。当纺丝电压为30kV,溶液液量为8mL/h,通气速度为1100mL/min时,最有利于进行纺丝。此外,设计了直线形和矩形排列的四喷头喷气静电纺丝装置和组合式十六喷头喷气静电纺丝装置。通过电场模拟和实验研究了两种不同排列方式在不同间距下四喷头之间的电场分布对纺丝射流、纳米纤维的产量、接收面积以及纤维形貌的影响。研究表明,纳米纤维的产量和接收面积随着纺丝单元间距的增大先增大后减小。不同排列方式及间距对纳米纤维的形貌影响较小,纳米纤维的平均直径在300nm左右。组合式十六喷头静电纺丝的产量约为28g/h,较大的提高了纳米纤维的产量。因此,在合适的间距下多喷头喷气静电纺丝装置可以实现纳米纤维的批量化制备。然后设计了纳米纤维多重共轭集聚成束的装置,研究了纳米纤维集聚成束的机理,分析了电压、通气速度和通液速度对纳米纤维和束的直径及产量的影响。研究表明,在纺纱电压为34kV,通气速度为1200mL/min,通液速度为32mL的条件下,纳米纤维可稳定集聚和连续成束,最后设计了纳米纤维喷气纺纱的装置,对喷嘴内气流场进行数值模拟,研究了喷嘴内气流的流动特征,讨论了气流加捻对纳米纤维成纱的影响。研究表明:在三维旋转气流的作用下可以获得连续的有捻的纳米纤维纱,纳米纤维纱具有良好的取向度和均匀的捻回分布。在气流压力为0.4Mpa时捻回角达到73.9,断裂强力和伸长分别达到94.2Mpa和101.6%。本文为发展具有工业运用潜力的纳米纤维纺纱方法提供了新策略。
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