气泡静电纺丝技术是受蜘蛛纺丝原理启发,应用气泡动力学原理提出的一种新型的纳米纤维制备技术,研究至今,已取得了一定的研究成果。然而,该技术制备纳米纤维时还存在纤维形貌不稳定等问题。为了控制纳米纤维形貌及开发其应用,本文首先分析了其纺丝基本原理以及分类方法,并在此基础上,设计了相关实验,进行纳米纤维形貌控制研究。为了探明气泡动力学对纳米纤维形貌的影响,本文分析了气泡大小、气泡膜形状、气泡壁厚度以及气泡热力学参数对产品形貌的影响,发现(1)气泡增大到某一阈值时,大气泡破裂时会形成子气泡甚至二级子气泡,使得制备的纳米纤维平均直径减小;(2)宽度为a的气泡膜满足a=10.6h(h为气泡膜厚度)时,形成球形微珠;满足10.6h<a<4πh时,形成不规则产品形貌如椭球体、菱形体、纺锤体等;满足a=4πh时,形成光滑圆柱形纤维;满足a>>4πh时,形成扁平带状纤维;(3)当环境温度不变时,气泡内部温度的升高,纤维平均直径增大;在气泡内部温度不变,环境温度越高,纤维的平均直径越小;当溶液温度升高,溶液粘度减小,电导率升高,制备的纳米纤维直径减小。使用高速摄影仪拍摄出电场作用下气泡的变形过程,得出了气泡破裂的临界电场强度,临界半锥角为31.9°,临界气泡膜厚度为h=0.85h0(h0为气泡膜初始厚度)。根据伯努利方程初步推算出射流初速度为97m/s,并根据量纲分析得到射流初速度,确定了影响气泡破裂和射流速度的关键因素。为了研究纺丝参数对纳米纤维形貌的影响,本文对各参数的影响机制进行了理论分析,提出预测模型,并进行了实验验证。研究表明:(1)电压越高,纤维直径越细;(2)初始阶段射流半径与接收距离关系为r~z-1/2;在不稳定运动阶段,其关系为r~z-1/4;(3)通过ANSYS软件模拟电场分布发现同一等势线两端的连线是互相平行的,使得制备的纤维呈现高取向分布;(4)超声波振动时间与纤维直径间的关系为d∝t0.33,振动功率与纤维直径间的关系为d∝P1.22;(5)运用标度律法分别讨论了粘度、浓度、直径三者之间的函数关系。通过丝素溶液纺丝,得到溶液粘度与浓度存在关系:η∝c2.6;直径与浓度的关系为:d∝c2.3;推导出直径与粘度的关系满足:d∝η0.87。将粘度与纤维直径的函数点进行曲线拟合得到:d∝η0.8777,与推导结果完全吻合;(6)通过添加无机盐Li Br·H2O改善了PVA溶液的导电性能,制备的纳米纤维直径呈现先增大后减小的趋势;(7)添加极少量的SDBS,有利于溶液表面张力的降低;然而SDBS的含量提高,却不会继续降低溶液的表面张力,反而会使溶液的电导率急剧提高,使得制备的纤维相貌变差,纤维直径变粗;(8)对于固定的一种溶液,存在最优的环境湿度值,可使得其气泡静电纺丝得到的产品形貌最好。本文讨论了射流运动的控制方程,分别分析了牛顿流体与非牛顿流体射流的运动规律及其对产品形貌成形的影响,发现射流具有脉动性,由于表面张力、电场力等耦合作用,射流径向运动可形成串珠纤维形貌,且得到珠与珠之间距离与周期的标度律关系。在气泡静电纺丝过程中,气泡薄膜运动至接收极板时发生振动形成纳米卷曲纤维。本文将破裂的气泡薄膜看作为弹性梁,根据Euler-Bernoulli梁理论以及哈密顿最小作用量原理建立了气泡薄膜的振动控制方程,并将纳米卷曲纤维成形理论应用于填塞箱卷曲纱的工业化生产与改进中。最后,本文探讨了气泡纺纳米纤维的多种应用,包括最小阻力泳衣设计、纳米纤维润湿机理及应用、仿蚕茧结构纳滤膜设计和纳米纤维批量化制备。研究发现:(1)只有当移动表面的分形维数与在埃米尺度下流相的分形维数一致时,移动表面受到的阻力才最小;(2)得到液滴分散的最大临界体积;(3)根据蚕茧结构可仿生设计纳滤膜;(4)纳米纤维批量化技术:百博纺技术,可实现纳米纤维的工业化生产,目前,产量已达到16 g/h。