靜電紡PVA納米纖維射流的拉伸研究與模擬初探.pdf

1、靜電紡作為一種新型的生產(chǎn)納米纖維的技術(shù)，越來(lái)越多的受到學(xué)者的關(guān)注。目前關(guān)于靜電紡的研究大多集中在納米纖維的形態(tài)和應(yīng)用上，而關(guān)于靜電紡過(guò)程中射流的拉伸研究卻很少。為了更深入地了解射流的拉伸，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將成纖過(guò)程中的射流分成三段：即“轉(zhuǎn)化區(qū)”射流、穩(wěn)定段射流和不穩(wěn)定段射流，分段研究射流的拉伸，并進(jìn)一步分析了溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溶液導(dǎo)電性對(duì)射流拉伸的影響。
　　 本文選取聚乙烯醇(PVA)作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行靜電紡絲，通過(guò)紡制納

2、米纖維氈來(lái)研究溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、施加電壓、接收距離、溶液導(dǎo)電性等參數(shù)對(duì)納米纖維直徑的影響，采用掃描電鏡來(lái)觀察纖維的直徑及其形態(tài)。對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算分析，確定溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和導(dǎo)電性是影響纖維直徑最重要的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于PVA納米纖維來(lái)說(shuō)，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小(小于8％)時(shí)，有串珠生成，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，串珠會(huì)逐漸減少并消失，且纖維直徑會(huì)逐漸增加；電解質(zhì)LiCI加入會(huì)使紡制的納米纖維的直徑減小，但是當(dāng)LiCI鹽的含量比較

3、大(大于3％)時(shí)，纖維氈上會(huì)有少量鹽微粒。
　　 本文的理論工作是通過(guò)研究工藝參數(shù)得到的結(jié)論(紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和導(dǎo)電性是靜電紡絲最有影響的工藝參數(shù))，研究了這兩個(gè)參數(shù)對(duì)靜電紡過(guò)程中射流拉伸形態(tài)和拉伸率的影響。分別配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(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。對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同含鹽量的PVA溶液進(jìn)行靜電紡絲，

4、利用載玻片分段截取射流，然后放在顯微鏡下觀察測(cè)量射流的形態(tài)和直徑。結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)化區(qū)，理論分析得到射流的半徑r與射流距離截取點(diǎn)之間的縱向距離z之間的關(guān)系為：r～z-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)射流的拉伸影響很小，特別是當(dāng)PVA濃度小于10％時(shí)，但是當(dāng)其濃度大于12％時(shí)，由于溶液粘度的增加，射流的拉伸率會(huì)有所減小。LiCl鹽的加入會(huì)提高射流的拉伸率，特別是當(dāng)鹽的含量低于1％時(shí)，射流的拉伸率隨著LiCl含量的增加而增加；當(dāng)LiCl鹽的含量

5、大于1％時(shí)，射流的拉伸率基本保持不變。
　　 在穩(wěn)定段射流階段，當(dāng)射流表面電荷為滿電荷時(shí)，射流的半徑r與縱向距離z之間的關(guān)系為：r～z-1/2。紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)穩(wěn)定段射流的拉伸沒(méi)有影響，但射流直徑會(huì)隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，兩者之間的關(guān)系為dj～C1.2713；而鹽的含量對(duì)穩(wěn)定段射流的拉伸有較大的影響，設(shè)射流的表面電荷參數(shù)為m，則穩(wěn)定段射流的半徑r與射流縱向距離z之間的關(guān)系關(guān)系為r～z-m/(1+m)。對(duì)于本文研究的PVA溶液

6、，當(dāng)鹽的含量達(dá)到1wt％時(shí)，射流表面電荷已達(dá)到滿電荷，即當(dāng)LiCl鹽的含量等于或大于1 wt％時(shí)，射流的拉伸率保持不變；當(dāng)LiCl鹽的含量小于1wt％時(shí)，溶液表面電荷參數(shù)m與LiCl的濃度成線性關(guān)系：m=wt％LiCl。對(duì)于不穩(wěn)定段射流，射流的半徑r與射流距離截取點(diǎn)之間的縱向距離z之間的關(guān)系為：r～z-1/4，溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和導(dǎo)電性對(duì)該階段射流的拉伸都沒(méi)有影響。
　　 由于靜電紡中射流在高壓靜電場(chǎng)中的高速?gòu)?fù)雜運(yùn)動(dòng)，且射流本身直徑

7、很小，用實(shí)驗(yàn)的方法研究相對(duì)比較困難，因此本文將數(shù)值模擬應(yīng)用到靜電紡中，希望通過(guò)軟件模擬的方法得到成纖過(guò)中射流在不同靜電紡條件下的變化規(guī)律，從而通過(guò)控制射流來(lái)控制接受裝置上的纖網(wǎng)。本文通過(guò)比較分析，采用了專用于粘彈性材料流動(dòng)仿真的CFD軟件包中的POLYFLOW軟件，模擬成纖過(guò)程中穩(wěn)定段射流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和拉伸形態(tài)，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明：在溶液流量一定的情況下，隨著拉伸力的增加，射流直徑的細(xì)化速度加快，但拉伸力過(guò)大，射流直徑會(huì)出