氣泡靜電紡制備多孔納米纖維與串珠纖維及其數(shù)學(xué)分析.pdf

1、近年來，靜電紡絲領(lǐng)域的研究工作已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，多種多樣的聚合物通過靜電紡絲的方法可紡成納米級纖維。以往的研究多集中于聚合物溶液的紡絲方法，但很少有研究者關(guān)注當(dāng)今社會強(qiáng)烈需求的更便宜、更環(huán)保、更安全的靜電紡絲方法以及探討某種聚合物溶液靜電紡絲的可行性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報道了許多不同的方法，主要的關(guān)注點(diǎn)在于納米纖維的宏量制備以及纖維直徑的不斷細(xì)化。因此，發(fā)展這兩方面的技術(shù)是亟待解決的問題。大多數(shù)情況下，增加納米纖維產(chǎn)量同時會影響納米纖維的形貌

2、，而且會形成較多的串珠納米纖維。從現(xiàn)有文獻(xiàn)中可以看到關(guān)于串珠纖維的很多實(shí)驗(yàn)性工作，但理論分析，尤其是關(guān)于珠粒形成的理論分析很少見。
　　氣泡靜電紡絲起源于蜘蛛紡絲。本論文中闡述了蜘蛛紡絲和氣泡靜電紡絲的關(guān)系。同時，我們還討論了氣泡靜電紡絲的基本裝置，闡述了氣泡靜電紡絲方法，并且指出了氣泡靜電紡絲方法存在的兩大缺點(diǎn)。為了克服傳統(tǒng)靜電紡絲和氣泡靜電紡絲的第一個缺點(diǎn)，我們對原有的氣泡靜電紡絲裝置進(jìn)行了改進(jìn)，首次提出了一種新的裝置，即利用

3、水浴加熱來提高聚合物溶液的溫度。該氣泡靜電紡絲裝置中的貯液池的左/右側(cè)裝有導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的中心線安裝有一根金屬電極，貯液池的上方裝有接地的接收極板。該裝置可在溶液表面形成許多不同大小的氣泡。
　　為了克服第二個缺點(diǎn)，我們提出了“單/多氣泡靜電紡絲裝置”。該裝置主要包括一個注射器、一個裝載溶液的試管以及電池。注射器針頭從試管底部插入，試管內(nèi)裝載著紡絲溶液，氣泡的數(shù)量取決于試管的直徑。為了獲得單個氣泡，我們選用了直徑最小的試管，同時還

4、可根據(jù)要求調(diào)整不同的試管直徑。當(dāng)推進(jìn)注射器時，就會在溶液的表面產(chǎn)生氣泡。
　　隨后，我們利用該裝置研究了各種紡絲參數(shù)對納米纖維形態(tài)的影響，如施加電壓、接收距離（紡絲溶液液面到接收極板的距離）和溫度等。同時，我們也研究了相對較高電壓的影響(30kV～45kV)，紡制了無孔纖維材料。但是在開展實(shí)驗(yàn)性工作前，我們建立了三維熱電流體動力學(xué)模型。接著，我們將此模型簡化成一維的數(shù)學(xué)模型，以便研究電壓、接收距離、溫度和溶液濃度對纖維直徑的影響。

5、為了驗(yàn)證我們的理論分析，我們將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。
　　對于所有實(shí)驗(yàn)，我們使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP-k30)((M)w=40，000g/mol)為原材料，乙醇為溶劑。室溫下，將PVP溶解在乙醇中（質(zhì)量比9∶1），然后磁力攪拌器攪拌24小時，獲得均勻澄清的溶液，冷卻至室溫備用。
　　在實(shí)驗(yàn)過程中，我們觀察到電壓或電場強(qiáng)度對射流的拉伸和速率有影響。如果我們增大電壓，射流運(yùn)動速率增大但不可能無限

6、大。因此，必然存在一個臨界速率。而且，當(dāng)電壓繼續(xù)增大，射流運(yùn)動速率可以超過該臨界值ucr。這樣，我們可以通過降低射流的密度使其擴(kuò)張，從而最終獲得靜電紡多孔納米纖維。我們從理論上預(yù)測了該現(xiàn)象，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　最后我們討論了串珠納米纖維的形成理論。雖然現(xiàn)有很多文獻(xiàn)對于串珠納米纖維的形成做了相關(guān)報道，但都著重討論了串珠納米纖維的優(yōu)缺點(diǎn)，對于其成形理論分析則很少見。在最后一章節(jié)我們研究了珠粒的形成機(jī)理，同時針對牛頓流體和非牛頓流