静电纺PVA纳米纤维射流的拉伸研究与模拟初探

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静电纺作为一种新型的生产纳米纤维的技术,越来越多的受到学者的关注。目前关于静电纺的研究大多集中在纳米纤维的形态和应用上,而关于静电纺过程中射流的拉伸研究却很少。为了更深入地了解射流的拉仲,本文在前人研究的基础上,将成纤过程中的射流分成三段:即“转化区”射流、稳定段射流和不稳定段射流,分段研究射流的拉伸,并进一步分析了溶液质量分数和溶液导电性对射流拉仲的影响。本文选取聚乙烯醇(PVA)作为研究对象来进行静电纺丝,通过纺制纳米纤维毡来研究溶液质量分数、施加电压、接收距离、溶液导电性等参数对纳米纤维直径的影响,采用扫描电镜来观察纤维的直径及其形态。对工艺参数进行正交实验设计,通过计算分析,确定溶液质量分数和导电性是影响纤维直径最重要的参数。实验中发现对于PVA纳米纤维来说,当溶液质量分数较小(小于8%)时,有串珠生成,随着溶液质量分数的增加,串珠会逐渐减少并消失,且纤维直径会逐渐增加;电解质LiCI加入会使纺制的纳米纤维的直径减小,但是当LiCI盐的含量比较大(大于3%)时,纤维毡上会有少量盐微粒。本文的理论工作是通过研究工艺参数得到的结论(纺丝液质量分数和导电性是静电纺丝最有影响的工艺参数),研究了这两个参数对静电纺过程中射流拉伸形态和拉伸率的影响。分别配制不同质量分数(6%、8%、10%、12%、14%)的PVA溶液,在10%的PVA溶液中加入不同含量(0.2%、0.5%、0.8%、1%、2%、3%、4%.)LiCl。对不同质量分数和不同含盐量的PVA溶液进行静电纺丝,利用载玻片分段截取射流,然后放在显微镜下观察测量射流的形态和直径。结果表明:在转化区,理论分析得到射流的半径r与射流距离截取点之间的纵向距离z之间的关系为:r~z-1。实验结果表明溶液质量分数对射流的拉伸影响很小,特别是当PVA浓度小于10%时,但是当其浓度大于12%时,由于溶液粘度的增加,射流的拉伸率会有所减小。LiCl盐的加入会提高射流的拉伸率,特别是当盐的含量低于1%时,射流的拉伸率随着LiCl含量的增加而增加;当LiCl盐的含量大于1%时,射流的拉伸率基本保持不变。在稳定段射流阶段,当射流表面电荷为满电荷时,射流的半径r与纵向距离z之间的关系为:r~z-1/2。纺丝液质量分数对稳定段射流的拉伸没有影响,但射流直径会随溶液质量分数的增加而增加,两者之间的关系为dj~C1.2713;而盐的含量对稳定段射流的拉伸有较大的影响,设射流的表面电荷参数为m,则稳定段射流的半径r与射流纵向距离z之间的关系关系为r~z-m/(1+m)。对于本文研究的PVA溶液,当盐的含量达到1wt%时,射流表面电荷已达到满电荷,即当LiCl盐的含量等于或大于1wt%时,射流的拉伸率保持不变;当LiCl盐的含量小于1wt%时,溶液表面电荷参数m与LiCl的浓度成线性关系:m=wt%LiCl。对于不稳定段射流,射流的半径r与射流距离截取点之间的纵向距离z之间的关系为:r~z-1/4,溶液的质量分数和导电性对该阶段射流的拉伸都没有影响。由于静电纺中射流在高压静电场中的高速复杂运动,且射流本身直径很小,用实验的方法研究相对比较困难,因此本文将数值模拟应用到静电纺中,希望通过软件模拟的方法得到成纤过中射流在不同静电纺条件下的变化规律,从而通过控制射流来控制接受装置上的纤网。本文通过比较分析,采用了专用于粘弹性材料流动仿真的CFD软件包中的POLYFLOW软件,模拟成纤过程中稳定段射流的运动状态和拉伸形态,并对模拟结果进行验证。模拟结果表明:在溶液流量一定的情况下,随着拉伸力的增加,射流直径的细化速度加快,但拉伸力过大,射流直径会出现粗节或抽拔现象;射流的运动速度随着拉伸力的增加而增加,当拉伸力较小时,射流运动速度和运动距离呈线性关系,此时可以得到直径均匀变化的射流,由此在接收装置上可以得到直径分布均匀的纳米纤维;当拉伸力较大时运动速度和运动距离不再呈线性关系,射流直径变化不均匀。在纺丝液中加入LiCl盐相当于增加射流的拉伸力,模拟结果与实验结果一致。
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