气泡静电纺的理论模型及工艺优化研究

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纳米纤维作为一种纳米结构材料具有传统纤维无法比拟的特殊性能,在诸多领域都具有巨大的应用潜力。与其他纳米纤维制备方法相比,静电纺丝技术是目前最直接也是最有效的方法,且具有生产工艺简单、经济等特点。   气泡静电纺技术是一种新型静电纺丝技术。本文以高分子聚合物--聚乙烯醇为原料,利嘲气泡静电纺技术,从理论分析和生产工艺优化两个方面对该技术进行研究。主要研究内容包括:首先,基于电流体力学理论,建立了气泡处于初始状态和临界状态时电场分布情况的理论模型。为了验证该理论模型的适用性,本文采用了有限元分析软件对这两种状态下的静电场进行了数值模拟。比较理论模型和数值模拟结果,发现二者十分相近。利用高速相机对气泡静电纺的两种状态进行观察,发现理论分析结果与实验观察基本吻合。其次,分析了气泡在静电场中的形变理论,并基于气泡和气泡膜的成形原理,重点研究了电应力作用下静电场中典型气泡的形变特征,特别是从理论上推导出气泡在临界纺丝条件下的几何特征--临界锥角,并对理论结果进行了实验验证,结果发现二者具有较好的一致性。最后,采用聚乙烯醇(PVA)/乙醇+水混合溶液作为纺丝溶液进行气泡静电纺纳米纤维实验,对气泡静电纺工艺参数进行优化设计。基于以往经验,选择PVA溶液浓度、电压、纺丝距离作为影响因素来设计正交实验,获得了分别以减小纤维直径和增大纤维产量为期望的两组最佳组合。   本文的研究对于深入认识和了解静电纺丝技术,特别是高分子气泡在静电场中的形变和破裂过程具有重要意义,对于设计和制造新型静电纺丝技术和设备提供新的思路和途径。
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