輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲射流拉伸過程力學(xué)分析【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲射流拉伸過程力學(xué)分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 高分子材料與工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　摘要：靜電紡絲是一種制備納米纖維的方法，其設(shè)備一般包括高壓靜電發(fā)生器、供液

3、裝置和接收裝置。它是利用靜電荷使噴嘴尖端的聚合物溶液從半球形轉(zhuǎn)變成錐形，并進(jìn)而使射流從頂端噴射出來(lái)形成超細(xì)纖維的過程?，F(xiàn)如今產(chǎn)量低及紡絲過程中射流的不穩(wěn)定性制約著其進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而給靜電紡絲走向產(chǎn)業(yè)化造成了一定的阻力，而多噴頭裝置和輔助電極的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)量和穩(wěn)定射流的一個(gè)重要的方向。本次研究側(cè)重于采用雙噴頭裝置進(jìn)行靜電紡絲，而在紡絲過程中兩個(gè)噴頭噴出的纖維由于帶相同的電荷而互相排斥，加劇了射流的不穩(wěn)定性，使得纖網(wǎng)中纖維分布不勻。本課

4、題在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了各種輔助電極，起到了改善電場(chǎng)的作用，從而穩(wěn)定射流、均勻纖網(wǎng)，并通過Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件進(jìn)行建模分析，解釋為什么輔助電極可以起到這樣的作用，為靜電紡絲的進(jìn)一步發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。</p><p>　　關(guān)鍵詞：靜電紡絲；多噴頭；輔助電極；電場(chǎng)仿真</p><p>　　Analysis of stretching process of multi-nozz

5、le electrospinning with auxiliary electrode</p><p>　　Abstract： Electrospinning is a method of producing nanofibers. The devices of electrospinning include high-voltage electrostatic generator, the fluid dev

6、ice and receiver. It is the use of electrostatic charge to the polymer solution from the nozzle tip into a cone-shaped dome, and thus leaving the jet from the top of the Penshechulai the process of the formation of ultra

7、-fine fibers [1]. Now the production of electrospinning is low and the jet instability restricts its further development, and t</p><p>　　Keywords: Electrospinning；Multiple needles；Auxiliary electrode；Electri

8、c field simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒 論5</b></p><p>　　1.1 靜電紡絲概述5</p><p>　　1.1.1 靜電紡絲的歷史背景5</p><p>　　1.1.2

9、 靜電紡絲的發(fā)展意義5</p><p>　　1.2 靜電紡絲中出現(xiàn)的問題及相關(guān)定義5</p><p>　　1.3 靜電紡絲中噴頭研究的最新成果及動(dòng)態(tài)6</p><p>　　1.3.1 單噴頭的發(fā)展與應(yīng)用6</p><p>　　1.3.2 雙噴頭的發(fā)展與應(yīng)用6</p><p>　　1.3.3 多噴頭

10、的發(fā)展與應(yīng)用6</p><p>　　1.4 靜電紡絲中輔助電極研究的最新成果及動(dòng)態(tài)7</p><p>　　1.5 課題的研究?jī)?nèi)容及擬采取的研究方法、技術(shù)路線、研究難點(diǎn)以及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)8</p><p>　　1.5.1 研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　1.5.2 研究方法9</p><p>　　1.5

11、.3 技術(shù)路線9</p><p>　　1.5.4 研究難點(diǎn)9</p><p>　　1.5.5 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)9</p><p>　　1.6 畢業(yè)論文工作進(jìn)度和安排9</p><p>　　2實(shí)驗(yàn)過程與Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)建模機(jī)理與方案11</p><p>　　2.1 靜電紡絲的設(shè)

12、備11</p><p>　　2.1.1 自主組裝的靜電紡絲設(shè)備11</p><p>　　2.1.2 輔助電極和多噴頭裝置的制作與安裝11</p><p>　　2.2 納米纖維的制備方法12</p><p>　　2.2.1 原材料、設(shè)備和儀器的選擇12</p><p>　　2.2.2 納米纖維的形成機(jī)

13、理13</p><p>　　2.2.3 納米纖維的制備步驟13</p><p>　　2.3 Ansoft Maxwell 3D 電磁場(chǎng)建模機(jī)理與方案13</p><p>　　2.3.1 電磁場(chǎng)分析軟件建模機(jī)理13</p><p>　　2.3.2 本課題建模方案14</p><p>　　2.4 本章小

14、結(jié)14</p><p>　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論以及 Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)建模分析15</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路15</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)成果展示與分析15</p><p>　　3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論18</p><p>　　3.3.1 納米纖維直徑表征與結(jié)

15、果討論18</p><p>　　3.3.2 紡絲過程中出現(xiàn)的疑問與分析20</p><p>　　3.3.2 Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件建模分析21</p><p>　　3.4 本章小結(jié)25</p><p>　　4總結(jié)與展望26</p><p><b>

16、;　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1 靜電紡絲概述</p><p>　　1.1.1 靜電紡絲的歷史背景</p><p>　　納米纖維具有大比表面積和小尺寸效應(yīng)等特點(diǎn)，

17、被廣泛應(yīng)用于材料應(yīng)用領(lǐng)域。靜電紡絲制備納米纖維是最簡(jiǎn)單、最便宜和最直接的方法之一，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，一直是研究的熱點(diǎn)。1902年Cooley和Morton申請(qǐng)了世界上第一項(xiàng)關(guān)于靜電紡絲的專利[1]，從此揭開了靜電紡絲研究的序幕。1934-1944年Formhals[2]在沒有使用噴絲嘴的條件下自主設(shè)計(jì)了10個(gè)關(guān)于靜電紡絲的裝置，并申請(qǐng)了專利。1966年Simons[3] 用已申請(qǐng)靜電紡絲技術(shù)專利的裝置制備了超細(xì)纖維無(wú)紡布，推動(dòng)了靜

18、電紡紡絲的進(jìn)一步發(fā)展。到了1971年，Baumgarten[4] 研究了溶劑和工藝參數(shù)對(duì)靜電紡絲纖維結(jié)構(gòu)性能的影響。</p><p>　　1.1.2 靜電紡絲的發(fā)展意義</p><p>　　靜電紡是目前能夠制備直徑低至幾個(gè)納米的連續(xù)纖維的唯一方法。這種方法可適用于合成及天然聚合物、聚合物合金及載有發(fā)色團(tuán)、納米粒子或者活性劑的聚合物，也可應(yīng)用于金屬和陶瓷納米纖維的制備。利用特殊的靜電紡絲

19、法,可以生產(chǎn)出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的纖維。例如皮芯纖維或者中空纖維。另外, 也有可能制備出從單纖維到纖維有序排列的結(jié)構(gòu)。靜電紡不僅僅在大學(xué)試驗(yàn)室中得到應(yīng)用，而且也逐漸應(yīng)用到企業(yè)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括光電子器件、傳感器技術(shù)、催化、過濾以及醫(yī)學(xué)等。</p><p>　　1.2 靜電紡絲中出現(xiàn)的問題及相關(guān)定義</p><p>　　靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成功地紡制出多種聚合物納米纖維，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道已經(jīng)有制造出

20、直徑達(dá)5納米的靜電紡聚合物納米纖維。然而，該成果的具體做法還沒有清晰地提出，在靜電紡絲下紡制出這種超細(xì)的納米級(jí)聚合物纖維仍然存在一些困難。由于納米級(jí)結(jié)構(gòu)及其大比表面積，這些超細(xì)聚合物納米纖維具有一定商業(yè)價(jià)值，可以應(yīng)用于多種產(chǎn)品之中，比如說過濾膜和防護(hù)服等方面[5]。</p><p>　　產(chǎn)量低及紡絲過程中射流的不穩(wěn)定性是制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，進(jìn)而給靜電紡絲走向產(chǎn)業(yè)化造成了一定的阻力。而多噴頭裝置和輔助電極的應(yīng)用

21、是實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)量和穩(wěn)定射流的一個(gè)重要的方向。</p><p><b>　?。?）何謂多噴頭</b></p><p>　　多噴頭靜電紡絲是目前增加產(chǎn)量的有效方法之一，也是靜電紡絲工業(yè)化生產(chǎn)的主要發(fā)展方向之一。多噴頭靜電紡絲中多個(gè)噴嘴平行或成一定陣形排布，引入電場(chǎng)后，形成的噴射細(xì)流間會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)的相互干擾，而通過引入輔助電極可在一定程度上克服這種弊端。</p>

22、<p><b>　?。?）何謂輔助電極</b></p><p>　　輔助電極也叫對(duì)電極，它只用來(lái)通過電流以實(shí)現(xiàn)研究電極的極化。研究陰極過程時(shí)，輔助電極作陽(yáng)極，而研究陽(yáng)極過程時(shí)，輔助電極作陰極。輔助電極的面積一般比研究電極大，這樣就降低了輔助電極上的電流密度，使其在測(cè)量過程中基本上不被極化，因而常用鉑黑電極作輔助電極。有時(shí)為了測(cè)量簡(jiǎn)便，輔助電極也可以用與研究電極相同的金屬制作。靜電紡

23、絲中使用輔助電極可以穩(wěn)定射流并均勻纖維。</p><p>　　靜電紡纖維的物理機(jī)械性能受分子結(jié)晶度和取向度的影響，他們的結(jié)晶結(jié)構(gòu)受紡絲過程中各參數(shù)和聚合物溶液電學(xué)及流變性質(zhì)的影響。輔助電極在靜電紡絲過程中可以看做是一個(gè)起穩(wěn)定性的作用的裝置[6]。</p><p>　　1.3 靜電紡絲中噴頭研究的最新成果及動(dòng)態(tài)</p><p>　　靜電紡絲的噴頭類型可按不同的方法分

24、類，如按噴頭的數(shù)量分類，主要有單噴頭、雙噴頭、多噴頭和無(wú)噴頭等類型。單噴頭靜電紡絲的設(shè)備簡(jiǎn)單，但產(chǎn)量低。為了提高靜電紡絲的產(chǎn)量和定制纖維的特殊性能，科研工作者對(duì)噴頭數(shù)量和噴頭形式進(jìn)行了改進(jìn)。</p><p>　　1.3.1單噴頭的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>　　單噴頭靜電紡絲的改進(jìn)主要致力于改善纖維的形態(tài)和性能。氣流單噴頭靜電紡絲是在噴頭處引入一股壓力氣流，加速紡絲液噴出，這種方式可以增加

25、纖維的均勻性和細(xì)度。有研究員通過氣流靜電紡絲裝置制備了平均直徑為80nm的PES納米纖維，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管內(nèi)徑越小和氣流流動(dòng)速率越大，所制得纖維的直徑就會(huì)越小。也有人用類似的空氣驅(qū)動(dòng)靜電紡絲裝置研究了靜電紡絲。該裝置是利用空氣流從上部沿器壁成切線漩渦流動(dòng)，由此制備的聚己內(nèi)酰胺亞微米細(xì)絲不但具有波浪紋的效果，而且沒有串珠缺陷。共軸靜電紡絲主要是用于制備皮芯結(jié)構(gòu)纖維或空心纖維。Dan Li[7]等通過共軸靜電紡絲裝置制備了聚合物／無(wú)機(jī)物或兩種不相

26、容溶液的共軸纖維，通過隨后溶去纖維芯層的聚合物或化合物，可得到中空纖維。有人利用雙共軸和三共軸的靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，在接收板和噴頭分別連接負(fù)電壓和正電壓，最后獲得了直徑分布在350～400nm的木質(zhì)素納米纖維，這是生產(chǎn)木質(zhì)素纖維的一項(xiàng)重大進(jìn)展。此后也有人通過共軸靜電紡絲裝置制備了PU(皮)／PA6(芯)納米纖維，這種纖維展現(xiàn)出來(lái)的性能介于PU纖維與PA6纖維各自性能之間，達(dá)到了性能互補(bǔ)的效果。</p><p&g

27、t;　　1.3.2雙噴頭的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>　　Mei Li[8]等分別連接正電壓和負(fù)電壓的雙噴頭高速雙電極裝置靜電紡絲，使靜電紡絲的纖維在兩噴頭之間相互作用和橋接，經(jīng)過圓柱狀轉(zhuǎn)鼓拉伸后，發(fā)現(xiàn)纖維之間出現(xiàn)了很多纏結(jié)，并且纖維具有三維各向同性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，另外，采用該雙電極模型靜電紡絲所得纖維的產(chǎn)量比單電極模型靜電紡絲所得的至少提高了170倍。有研究員也采用了1對(duì)分別連接正負(fù)電壓的噴頭進(jìn)行靜電紡絲，兩個(gè)噴頭

28、所噴出的纖維由于帶相反的電荷而發(fā)生互相吸引，繼而粘結(jié)在一起，經(jīng)圓柱形轉(zhuǎn)鼓收集形成納米纖維紗。這種方法制備的纖維紗連續(xù)且單軸排列好。</p><p>　　1.3.3多噴頭的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>　　多噴頭靜電紡絲是目前增加產(chǎn)量的有效方法之一，也是靜電紡絲工業(yè)化生產(chǎn)的主要發(fā)展方向之一。多噴頭靜電紡絲法中的多個(gè)噴嘴平行或成一定陣形排布，引入電場(chǎng)后，形成的噴射細(xì)流間會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)的相互干擾，而通

29、過引入輔助電極可在一定程度上克服這種弊端。有研究員利用多噴頭靜電紡絲法制備PVA／CA復(fù)合納米纖維氈，噴頭通過平行于接收輥的導(dǎo)軌來(lái)回運(yùn)動(dòng)，使纖維均勻地噴到接收輥上，最終制得厚度均勻的PVA／CA復(fù)合納米纖維氈。該研究提供了一種解決多噴頭靜電紡絲過程中射流相互干擾不能制備厚度均勻的纖維氈的方法。有研究員則從理論上研究了多噴頭靜電紡絲過程中射流干擾的問題，對(duì)比了單噴頭、并列多噴頭和3×3矩陣排列多噴頭的射流運(yùn)動(dòng)過程，并建立了相應(yīng)的

30、模型，得出在多噴頭排列形式中，中間射流運(yùn)動(dòng)軌跡受射流的影響較小，而旁邊的射流運(yùn)動(dòng)軌跡受的影響則較大，這為解決多噴頭靜電紡絲的射流在電場(chǎng)中相互干擾的問題提供了新的思路。還有人設(shè)計(jì)了一種帶有圓筒狀輔助電極的多噴頭靜電紡絲裝置，采用該裝置能有效減少射流在剛噴出階段受到附近電荷、空氣氣流、介電材料和金屬材料的干擾，提高了靜電紡絲的產(chǎn)量。</p><p>　　Chang Haw-Jer[9]等設(shè)計(jì)了一種帶有旋轉(zhuǎn)噴頭的靜電紡

31、絲裝置。該裝置既具有普通多噴頭靜電紡絲裝置產(chǎn)量較高的特點(diǎn)，同時(shí)由于噴頭的旋轉(zhuǎn)，配合接收裝置的移動(dòng)，可以有效減輕普通多噴頭紡絲裝置中因靜電干擾而產(chǎn)生纖維氈厚度不均的問題。有研究員設(shè)計(jì)了利用鐵磁性形成多噴頭的靜電紡絲成型設(shè)備，該裝置采用一個(gè)分層溶液體系，該溶液體系下層為鐵磁性懸浮液，上層為聚合物溶液，將整個(gè)溶液體系放置于永久性磁鐵或線圈形成的垂直磁場(chǎng)中，再外加一個(gè)垂直電場(chǎng)，鐵磁性懸浮液由于磁場(chǎng)的作用形成穩(wěn)定的針狀突起物，突起物穿過2層液體界

32、面和聚合物溶液上表面，處于針狀物頂端位置的高聚物液體形成向上噴射細(xì)流，噴射細(xì)流在電場(chǎng)的強(qiáng)力拉伸下，經(jīng)過不穩(wěn)定性的鞭動(dòng)和溶劑揮發(fā)后最終落在收集裝置上。該法使纖維產(chǎn)量有了很大的提高。Cevat Erisken[10]等設(shè)計(jì)了一種采用雙螺桿擠出形式的靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的核心部件為中間的雙螺桿，其剪切作用可分散集聚在一起的納米顆粒，提高納米顆粒的分散效率，更有利于制備納米顆粒復(fù)合的納米纖維。另外機(jī)頭的分流口?？梢耘鋫洳煌募徑z噴頭類型，實(shí)

33、現(xiàn)多噴頭靜電紡絲，從而提高纖維產(chǎn)量[17]。</p><p>　　1.4 靜電紡絲中輔助電極研究的最新成果及動(dòng)態(tài)</p><p>　　為了控制微納米纖維的成形，研究人員一般利用輔助電極對(duì)接收裝置進(jìn)行改進(jìn)，使纖維得到更好的排列以及能定點(diǎn)接收。</p><p>　　有研究員通過刀鋒型輔助電極得到高度排列的靜電紡納米纖維。噴頭前設(shè)置與一般靜電紡絲裝置大致類似，接受裝置則

34、采用兩個(gè)尖端絕緣的、邊緣鋒利的不銹鋼板。靜電紡絲時(shí)在兩板間引入負(fù)電，當(dāng)帶正電的射流沿一定螺旋軌跡向下運(yùn)動(dòng)并接近接收裝置時(shí)，由于帶負(fù)電的兩不銹鋼板的庫(kù)侖力作用，射流在兩板間沿電場(chǎng)排列，從而獲得具有高度排列的納米纖維。這是一種獲得具有高度排列的納米短纖維的方法。</p><p>　　有研究員通過在噴絲頭的對(duì)面引進(jìn)平行輔助電極，使靜電紡絲時(shí)的電場(chǎng)更加集中，中間采用圓柱狀轉(zhuǎn)鼓收集纖維，在保持纖維的直徑?jīng)]有變化的條件下，圓

35、柱狀轉(zhuǎn)鼓上的纖維氈的分布面積明顯變小，這為定點(diǎn)靜電紡絲提供了思路。還有研究員用圓筒狀輔助電極套住噴頭，減少了射流在離開噴頭后的不穩(wěn)定性。通過這種圓筒狀輔助電極，發(fā)現(xiàn)所得纖維氈圓斑面積比未采用輔助電極的靜電紡絲過程纖維氈圓斑要小，充分證明了采用這種輔助電極可以減少射流的不穩(wěn)定性。有人設(shè)計(jì)了一種帶有圓筒狀輔助電極的多噴頭靜電紡絲裝置，采用該裝置能有效的減少射流在剛噴出噴頭對(duì)受到的附近電荷、空氣氣流，介電材料和金屬材料的干擾，溶液射流更加穩(wěn)定

36、，提高了靜電紡絲產(chǎn)量。W. E. Teo[11]等人在圓柱狀轉(zhuǎn)鼓的下方安裝了鋒利的刀刃電極，然后在刀刃上接上負(fù)電壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維能在轉(zhuǎn)鼓上更好的有序排列。N. Bhattara[12]等人采用兩端纏繞銅線的圓柱狀轉(zhuǎn)鼓收集纖維，使得原本只用圓柱狀轉(zhuǎn)鼓接收的具有一定排列的纖維的排列有序性和程度進(jìn)一步提高（提到姓名的需要引用該研究者的文獻(xiàn)，其它地方相同）。有研究員人采用與經(jīng)典靜電紡絲理論不同的自集束靜電紡絲理論，即引入接地的金</p&g

37、t;<p>　　此外，人們還通過在噴頭加正負(fù)電壓來(lái)改善纖維的形貌和性能。曾有研究員人采用了在一組針頭分別加正負(fù)電壓進(jìn)行靜電紡絲，從兩個(gè)針頭所噴出的纖維因?yàn)閹喾吹碾姾啥l(fā)生互相吸引而粘結(jié)在一起，經(jīng)圓柱型轉(zhuǎn)鼓收集形成納米纖維。利用該種辦法制備的纖維連續(xù)、單軸排列好，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，纖維的排列程度也會(huì)增加。Xinsong Li[16]等人采用一組和三組分別連接相反極性電壓的噴頭靜電紡絲制備左旋聚乳酸/磷酸三甲酚酯復(fù)合纖維，得

38、到了排列好的纖維，而且拉伸強(qiáng)度達(dá)到0.31cn/dtex，這種纖維可以編織成布，用作組織工程的復(fù)合可降解生物支架。</p><p>　　1.5 課題的研究?jī)?nèi)容及擬采取的研究方法、技術(shù)路線、研究難點(diǎn)以及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p>　　1.5.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　?。?）采用多噴頭提高靜電紡絲的產(chǎn)量，設(shè)計(jì)不同形狀的輔助電極提高多噴頭靜電紡絲不同位置

39、噴頭附近電場(chǎng)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，從而降低紡絲電壓，屏蔽鄰近噴頭間電場(chǎng)干擾，以紡得直徑更細(xì)，細(xì)度更均勻的納米纖網(wǎng)。</p><p>　?。?）對(duì)輔助電極作用下的射流進(jìn)行討論，采用Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)射流受力建模分析，從而研究輔助電極對(duì)射流拉伸過程作用機(jī)理。</p><p>　?。?）測(cè)試輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲纖維直徑，對(duì)理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

40、。 </p><p>　　1.5.2 研究方法</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)立足于現(xiàn)有成果之上，采用理論分析法、實(shí)驗(yàn)法、建模分析法等研究方法來(lái)展開此次課題，設(shè)計(jì)出不同形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸的輔助電極，對(duì)輔助電極作用下單噴頭和多噴頭在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn)，選取紡絲電壓較低、紡得纖維較細(xì)、細(xì)度不勻小的輔助電極，并得出該輔助電極作用下單噴頭紡絲的較優(yōu)的工藝參數(shù)，最后進(jìn)行射流受力建模分析及

41、相關(guān)性能測(cè)試。</p><p>　　1.5.3 技術(shù)路線</p><p>　　第一步，在教師指導(dǎo)下初步選題，明確本次研究的主題：輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲射流拉伸過程力學(xué)分析；第二步，搜集、閱讀和整理相關(guān)輔助電極和多噴頭靜電紡絲的資料，并撰寫開題報(bào)告；第三步，證論并組織與此次研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材、工藝參數(shù)、研究方法；第四步，對(duì)紡絲的工藝參數(shù)，纖維的細(xì)度、結(jié)晶度及其機(jī)械性能進(jìn)行分析；第五

42、步，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫相關(guān)的畢業(yè)論文；第六步，畢業(yè)論文的修改與定稿。</p><p>　　1.5.4 研究難點(diǎn)</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容略高于所學(xué)知識(shí)，因此想要徹底了解并掌握相關(guān)靜電紡絲的知識(shí)需要建立在大量閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上。</p><p>　　致力于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生忙于備戰(zhàn)考研，因而在完成專業(yè)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上需兼顧、權(quán)衡考研與畢業(yè)設(shè)計(jì)

43、的關(guān)系。</p><p>　　本項(xiàng)目擬采用Ansoft Maxwell 3D 工程電磁場(chǎng)分析軟件，因此該項(xiàng)目實(shí)施之前要學(xué)習(xí)并熟練掌握此軟件。同時(shí)要嘗試著去熟悉靜電紡絲的裝置及其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理。</p><p>　　1.5.5 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p>　　（1） 查閱與靜電紡絲相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)（外文文獻(xiàn)不

44、少于2篇），對(duì)所掌握的資料進(jìn)行科學(xué)的分類與整理，整合自己的見解，撰寫一篇有關(guān)在輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲過程的文獻(xiàn)綜述。</p><p>　　在導(dǎo)師的指導(dǎo)下翻譯2篇外文文獻(xiàn)，將其中部分內(nèi)容翻譯成中文（翻譯內(nèi)容連續(xù)，每篇字?jǐn)?shù)在2000以上）。</p><p>　　本項(xiàng)目擬采用Ansoft Maxwell 3D 工程電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)單噴頭和多噴頭的紡絲電場(chǎng)進(jìn)行仿

45、真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出不同形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸的輔助電極，進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn)，并對(duì)紡得纖網(wǎng)采用三維視頻顯微鏡（KH7000）和掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀測(cè)。選取紡絲電壓較低、較優(yōu)的紡絲液性質(zhì)，紡得纖維較細(xì)、細(xì)度不勻小的輔助電極。</p><p>　　在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，結(jié)合已有科研結(jié)論和所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫一篇優(yōu)質(zhì)的畢業(yè)論文。</p><p>　　1.6 畢業(yè)論文工作進(jìn)度和安排</p><

46、;p>　　2010.10.25～2010.11.20： 完成單噴頭及多噴頭輔助電極的設(shè)計(jì)，得出使紡絲順暢、紡絲電壓較低且紡得纖維細(xì)及細(xì)度均勻的輔助電極。并得出輔助電極作用下多噴頭紡絲的較優(yōu)的紡絲液性質(zhì)、紡絲電壓、接收距離、噴頭數(shù)量、頭間距及噴頭排布方式等參數(shù)；</p><p>　　2010.11.20～2010.12.20：采用Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)

47、射流受力建模分析，從而</p><p>　　研究輔助電場(chǎng)對(duì)射流拉伸過程作用機(jī)理；</p><p>　　2010.12.20～2011.01.20：對(duì)輔助電場(chǎng)作用下多噴頭靜電紡絲纖維細(xì)度、結(jié)晶、取向及纖網(wǎng)機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； </p><p>　　2011.02.11～2011.03.11：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、論文準(zhǔn)備、初稿撰寫、上交畢業(yè)論文初稿；

48、2011.03.12～2011.05.03：畢業(yè)實(shí)習(xí)（實(shí)習(xí)認(rèn)定表、報(bào)告冊(cè)、總結(jié)）；</p><p>　　2011.05.04～2011.05.12：論文修改及定稿、上交畢業(yè)論文定稿； 2011.05.13～2011.05.22：畢業(yè)論文評(píng)閱； 2011.05.23～2011.06.03：畢業(yè)論文答辯及成績(jī)?cè)u(píng)定。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)過程與Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)建模

49、機(jī)理與方案</p><p>　　2.1 靜電紡絲的設(shè)備</p><p>　　2.1.1 自主組裝的靜電紡絲設(shè)備</p><p>　　課題所需的靜電紡絲儀器設(shè)備：微量注射泵、高壓發(fā)生裝置、注射器、噴嘴、金屬接收裝置、泡沫板、彩色薄紙、塑料支架板等，如圖（1）為自主設(shè)計(jì)的靜電紡絲裝置及過程簡(jiǎn)圖，包括輔助電極1、噴頭2、泡沫板3、橡皮管4、儲(chǔ)液槽5、塑料支架板7、接收

50、裝置8、微量注射泵9、高壓發(fā)生裝置10、紡絲射流11。</p><p>　　圖（1）靜電紡絲裝置及過程簡(jiǎn)圖 </p><p>　　2.1.2 輔助電極和多噴頭裝置的制作與安裝</p><p>　　本課題以銅片為原材料制作輔助電極，如表（1）為本次設(shè)計(jì)所制作的各種輔助電極的不同形狀參數(shù)。</p><p>　　孔纖維lene oxide)ct

51、可在一定程度上克服這種弊端。ation of composite and ceramic hollo表（1）各種輔助電極的形狀參數(shù)</p><p>　　多噴頭裝置固定在塑料支架板上，應(yīng)盡量水平放置，以保證各噴嘴通道中液體壓力相同。再將噴絲頭穿過泡沫板，兩噴頭水平設(shè)置，當(dāng)微量注射泵工作時(shí)，各噴嘴中的溶液同時(shí)到達(dá)噴嘴尖端且液壓一致。如下圖（2）為三種不同尺寸的輔助電極，圖（3）為裝有輔助電極的噴嘴。</p>

52、;<p>　　圖（2）三種不同尺寸的輔助電極 圖（3）裝有輔助電極的噴嘴</p><p>　　2.2 納米纖維的制備方法</p><p>　　2.2.1 原材料、設(shè)備和儀器的選擇</p><p><b>　　1. 實(shí)驗(yàn)原材料</b></p><p>　　聚乙烯

53、醇、聚乙烯吡咯烷酮k30、無(wú)水乙醇、冰醋酸、四氯化鈦、正辛醇、碳酸銨、硝酸銀。</p><p><b>　　2. 設(shè)備和儀器</b></p><p>　　DW—P303—1AC型高壓電源、微量注射泵、燒杯、加熱水浴、真空干燥箱，如下圖（4）為納米纖維制備裝置。</p><p>　　圖（4）：納米纖維材料制備裝置</p>&l

54、t;p>　　2.2.2 納米纖維的形成機(jī)理</p><p>　　聚合物溶液/熔體置于儲(chǔ)液管中，并將儲(chǔ)液管置于電場(chǎng)，陽(yáng)極插入儲(chǔ)液管的溶液中，陽(yáng)極從高壓靜電場(chǎng)發(fā)生器導(dǎo)出。當(dāng)沒有外加電壓時(shí)，由于儲(chǔ)液管中的溶液受到重力的作用而緩慢沿儲(chǔ)液管壁流淌，而在溶液與儲(chǔ)液管壁間的粘附力和溶液本身所具有的粘度和表面張力的綜合作用下，形成懸掛在儲(chǔ)液管口液滴。電場(chǎng)開啟時(shí)，由于電場(chǎng)力的作用，溶液中不同的離子或分子中具有極性的部分將向

55、不同的方向聚集。即陰離子或分子中的富電子部分將向陽(yáng)極的方向聚集，而陽(yáng)離子或分子中的缺電子部分將向陰極的方向聚集。由于陽(yáng)極插入聚合物溶液中，溶液的表面應(yīng)該是布滿受到陽(yáng)極排斥作用的陽(yáng)離子或分子中的缺電子部分，所以溶液表面的分子受到了方向指向陰極的電場(chǎng)力。而溶液的表面張力與溶液表面分子受到的電場(chǎng)力的方向相反。當(dāng)外加的電壓所產(chǎn)生電場(chǎng)力較小時(shí)，電場(chǎng)力不足以使溶液中帶電荷部分從溶液中噴出，這時(shí)儲(chǔ)液管口原為球形的液滴被拉伸變長(zhǎng)。繼續(xù)加大外加電壓，在外

56、界其它條件一定的情況下，當(dāng)電壓超過某一臨界值時(shí)，溶液中帶電荷部分克服溶液的表面張力從溶液中噴出，這時(shí)儲(chǔ)液管口的液滴變?yōu)殄F形(被稱為Taylor錐)，在儲(chǔ)液管頂端，形成一股帶電的噴射流。噴射流發(fā)生分裂之后，溶劑揮發(fā)，纖</p><p>　　2.2.3 納米纖維的制備步驟</p><p>　　1．濃度為10%的PVA水溶液：稱取一定量的PVA粉末，放入有塞的50ml錐形瓶中，加入適量的蒸餾水

57、，置于80℃的恒溫?cái)嚢杵髦校芙?小時(shí)。</p><p>　　2．濃度為10%的吡咯烷酮無(wú)水乙醇溶液：稱取一定量得吡咯烷酮k30粉末，放入有塞的50ml錐形瓶中，加入適量的無(wú)水乙醇，室溫下攪拌至完全溶解，靜置24小時(shí)。</p><p>　　2.3 Ansoft Maxwell 3D 電磁場(chǎng)建模機(jī)理與方案</p><p>　　2.3.1 電磁場(chǎng)分析軟件建模機(jī)理&l

58、t;/p><p>　　建立在電磁計(jì)算基礎(chǔ)上的Ansoft軟件，為設(shè)計(jì)工程師們提供了精確、快速、高效的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、天線、高速PCB、集成電路、封裝、連接器、光電網(wǎng)絡(luò)、電機(jī)、開關(guān)電源、機(jī)電系統(tǒng)、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和復(fù)雜EMI/EMC仿真中，Ansoft領(lǐng)先的基于物理原型的解決方案能夠快速精確地仿真和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，電磁場(chǎng)、電路和系統(tǒng)全集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)精確考慮細(xì)節(jié)的電磁場(chǎng)效應(yīng)，從而確

59、保系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)創(chuàng)新，洞察設(shè)計(jì)內(nèi)核，獲得長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　本項(xiàng)目擬采用Ansoft Maxwell 3D工程電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)多噴頭的紡絲電場(chǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，針對(duì)不同位置的噴頭設(shè)計(jì)出不同形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸的輔助電極，從而屏蔽臨近噴頭間電場(chǎng)的干擾。</p><p>　　如下圖（5）為采用Ansoft Maxwell 3D工程電

60、磁場(chǎng)分析軟件對(duì)我們所做的靜電紡絲過程進(jìn)行建模的3D效果圖。我們?cè)趦蓢娮焐暇由?7kv的電壓，并在噴嘴周圍加裝圓錐形輔助電極；噴絲頭到收集裝置之間的距離為150mm；圓錐形輔助電極的上底面半徑為1mm、下底面半徑為6mm、高為13mm；噴絲頭伸出輔助電極上底面2mm；兩噴嘴間的距離為30mm。</p><p>　　圖（5）靜電紡絲3D建模圖 </p>

61、<p>　　2.3.2 本課題建模方案</p><p>　　第一步：采用Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件建立有無(wú)輔助電極作用下單噴頭靜電紡絲的模型，對(duì)紡絲電場(chǎng)進(jìn)行仿真化。</p><p>　　第二步：采用Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件建立有無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲的模型，對(duì)紡絲電場(chǎng)進(jìn)行仿真化。</p><p>　

62、　第三步：對(duì)第一、第二步所得的仿真化模型進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)一步解釋為什么裝有輔助電極的單噴頭或雙噴頭靜電紡絲連續(xù)性更佳，纖維直徑更細(xì)，所得纖網(wǎng)更均勻。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章中，我們對(duì)靜電紡絲的設(shè)備（微量注射泵、高壓發(fā)生裝置、噴嘴、金屬接收裝置）、納米纖維的制備方法、Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)

63、建模機(jī)理與方案做了簡(jiǎn)單的介紹，為接下來(lái)實(shí)驗(yàn)的開展和結(jié)果討論做了充分的準(zhǔn)備。通過最后電磁場(chǎng)分析軟件的建模仿真化，解釋了為什么裝有輔助電極的靜電紡絲可以發(fā)揮較優(yōu)的作用。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論以及 Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)建模分析</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)思路如下：</p>&

64、lt;p>　　第一步：在有無(wú)輔助電極的情況下分別進(jìn)行單噴頭靜電紡絲，對(duì)兩者所獲纖網(wǎng)進(jìn)行評(píng)測(cè)。</p><p>　　第二步：設(shè)計(jì)兩種圓錐形輔助電極，確保其下底面積相同，上底面積依次減小，對(duì)兩者獲纖網(wǎng)進(jìn)行評(píng)測(cè)。</p><p>　　第三步：以上兩步為基礎(chǔ)，明確圓錐形輔助電極上底面直徑與所成纖網(wǎng)均勻性之間的關(guān)系。</p><p>　　第四步：再設(shè)計(jì)三種輔助電極，確保

65、其上底面積相同，上底面積依次增大， 對(duì)三者纖網(wǎng)進(jìn)行評(píng)測(cè)，觀察所紡纖維直徑的變化。</p><p>　　第四步：用Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)以上紡絲過程建模分析，明確輔助電極對(duì)改善電場(chǎng)、均勻纖網(wǎng)所起的作用。</p><p>　　第五步：在有無(wú)輔助電極的情況下分別進(jìn)行雙噴頭靜電紡絲，對(duì)兩者所獲纖網(wǎng)進(jìn)行評(píng)測(cè)。</p><p>　　第六步：用Maxwell 3D電

66、磁場(chǎng)分析軟件對(duì)有無(wú)輔助電極的情況下雙噴頭靜電紡絲的電場(chǎng)進(jìn)行模擬，評(píng)測(cè)輔助電極的作用。</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)成果展示與分析</p><p>　　第一部分：相片對(duì)比圖</p><p>　　如下圖（6a）為有無(wú)輔助電極作用下單噴頭靜電紡絲效果對(duì)比圖。紡絲液：聚乙烯吡咯烷酮k30溶于無(wú)水乙醇，濃度為10%；紡絲電壓：18kv；噴嘴到接收板的距離：12.5cm；

67、注射器流速0.3ml/h。</p><p>　　圖(6a)：原始紡絲圖片 圖(6b)：圖（6a）經(jīng)負(fù)片處理后的圖片</p><p>　　如下圖（7a）為有無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲效果對(duì)比圖。紡絲液：聚乙烯吡咯烷酮k30溶于無(wú)水乙醇，濃度為10%；紡絲電壓：18kv；噴嘴到接收板的距離：12.5cm；注射器流速0.3ml/h。</p>

68、;<p>　　圖（7a）：原始紡絲圖片 圖（7b）：圖（7a）經(jīng)過度曝光后的圖片</p><p>　　如下圖（8a）為有無(wú)輔助電極作用下單噴頭靜電紡絲效果對(duì)比圖。紡絲液：聚乙烯醇溶于去離子水，濃度為10%；紡絲電壓：17kv；噴嘴到接收板的距離：12.5cm；注射器流速0.3ml/h。</p><p>　　圖（8a）原始紡絲圖片

69、 圖（8b）：圖（8a）經(jīng)過度曝光后的圖片</p><p><b>　　結(jié)果討論</b></p><p>　　1．圖（6a）表明，在圓柱形和圓錐形輔助電極作用下單噴頭靜電紡納米纖維分布更加均勻，且均勻程度呈現(xiàn)以下規(guī)律：圓錐形輔助電極>圓柱形輔助電極>無(wú)輔助電極。</p><p>　　2．圖（7a）表明，在圓

70、錐形輔助電極作用下雙噴頭靜電紡納米纖維分布更加均勻，兩條帶有相同電荷的射流相互排斥、干擾的作用下降，呈現(xiàn)圓形效果更佳。</p><p>　　3．圖（8a）表明，在圓錐形輔助電極作用下單噴頭靜電紡納米纖維分布更加均勻，纖維分布趨于圓形。</p><p>　　第二部分：三維視頻顯微鏡下對(duì)比圖</p><p>　　以下六張圖片為在不同尺寸輔助電極作用下單噴頭及雙噴頭靜電紡

71、纖網(wǎng)在三維視頻纖維鏡下的觀測(cè)圖，取樣位置均為纖網(wǎng)外側(cè)，放大倍數(shù)為3500倍。如表（2）為各組圖片的部分參數(shù)。通過對(duì)以下各組紡絲過程的觀察及纖維直徑的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)：在輔助電極作用下，單噴頭或多噴頭靜電紡的連續(xù)性更好且不易受外界環(huán)境的干擾，所紡纖維的直徑更細(xì)，具體數(shù)據(jù)及討論見下一部分內(nèi)容。</p><p>　　表（2）各組圖片部分對(duì)應(yīng)參數(shù)</p><p>　　第一組

72、 第二組</p><p>　　第三組 第四組</p><p>　　第五組 第六組</p><p>　　3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論</p><

73、p>　　3.3.1 納米纖維直徑表征與結(jié)果討論</p><p>　　如下表（3）為六組實(shí)驗(yàn)中的具體參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們?cè)诒ＷC紡絲連續(xù)及輸液量提高的基礎(chǔ)上，盡量使得相關(guān)數(shù)據(jù)相統(tǒng)一，以確保實(shí)驗(yàn)組之間的可比性。如下圖（9a）和圖（9b）為有無(wú)輔助電極作用下單噴頭和雙噴頭靜電紡絲所紡纖網(wǎng)中纖維的平均直徑。各直徑取自多根纖維上不同位置30個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。在雙噴嘴靜電紡絲中，兩噴嘴之間的距離為30mm。</

74、p><p>　　表（3）六組實(shí)驗(yàn)過程中的具體參數(shù) </p><p>　　圖（9a）有無(wú)輔助電極作用下單噴頭靜電紡絲纖維直徑分布圖</p><p>　　圖（9b）有無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲纖維直徑分布圖</p><p><b>　　結(jié)果討論</b></p><p>　　1．由圖（9a）四組數(shù)據(jù)我們

75、發(fā)現(xiàn)，在輔助電極作用下單噴頭靜電紡所得納米纖維的直徑更細(xì)。</p><p>　　2．由圖（9a）后三組數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓錐形輔助電極上底面直徑一定時(shí)，隨著下底面直徑增大，并非所紡纖維越細(xì)。因而我們預(yù)測(cè)，或許當(dāng)上下底面直徑為某一比值時(shí)，可以獲得平均直徑更細(xì)的纖維。</p><p>　　3．由圖（9b）兩組數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，在輔助電極作用下雙噴頭靜電紡所得納米纖維直徑更細(xì)；同時(shí)并由表（3）可知，裝

76、有輔助電極的雙噴頭靜電紡絲的輸液速度有大幅的提高。</p><p>　　3.3.2 紡絲過程中出現(xiàn)的疑問與分析</p><p>　　疑問一：無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡纖網(wǎng)中出現(xiàn)大量凸點(diǎn)，凸點(diǎn)的存在會(huì)影響纖網(wǎng)的均勻性同時(shí)帶來(lái)的是纖維直徑的突變，這是紡絲過程我們所需要避免的。</p><p>　　分析一：起初我們以為這些凸點(diǎn)可能是在紡絲中引入了某些雜質(zhì)而引起的，隨后我

77、們通過視頻電鏡對(duì)其進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)這些凸點(diǎn)外沿向外延伸出無(wú)數(shù)的纖維，且直徑很細(xì)。從而我們得出以下結(jié)論：在無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中相鄰噴嘴的電場(chǎng)干擾較大，從而使得紡絲的連續(xù)性較差，通常在一段時(shí)間某個(gè)噴嘴的射流斷開而無(wú)法正常紡絲，而此時(shí)我們不得不用玻璃棒對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)，破壞液體形態(tài)而利于紡絲的順利進(jìn)行。于此同時(shí)注射泵以原有速度不停地輸出溶液，使得停止紡絲的噴嘴附近積聚大量液體。一旦液體形態(tài)遭到破壞，就會(huì)噴射出大量的溶液而使得溶劑

78、揮發(fā)不完全，最終形成以上所述的凸點(diǎn)。</p><p>　　設(shè)想一：盡管凸點(diǎn)會(huì)引起纖網(wǎng)的不勻及纖維直徑的突變，那我們能否把這些凸點(diǎn)看成是粘合非織造布中的粘合點(diǎn)，反而對(duì)纖網(wǎng)起了固結(jié)作用從而增大了纖網(wǎng)的強(qiáng)度呢？</p><p>　　放大倍數(shù)1×350（350倍） 放大倍數(shù)10×350（3500倍）</p><p>　

79、　疑問二：圓錐形輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲纖網(wǎng)中出現(xiàn)少量的較粗的條狀物，且從該條狀物上也延伸出無(wú)數(shù)直徑較小的纖維，這些條狀物也是我們需要避免的，因?yàn)樗拇嬖谕瑯佑绊懤w網(wǎng)的均勻性同時(shí)帶來(lái)的是纖維直徑的突變。</p><p>　　分析二：裝有輔助電極的雙噴頭靜電紡絲中兩噴嘴間的電場(chǎng)相互的影響下降，射流的連續(xù)性更加好，很少出現(xiàn)斷開射流停止紡絲的時(shí)候。至于為什么會(huì)產(chǎn)生條狀還無(wú)法給出合理的解釋，但有可能是因?yàn)樵诩徑z過程中

80、，空氣濕度較大，阻礙了溶劑水的揮發(fā)，從而使得水和PVA在為完全分離的情況下聚集在收集界面上。</p><p>　　設(shè)想二：條狀物的存在是否會(huì)如同設(shè)想一中凸點(diǎn)那樣對(duì)纖網(wǎng)的機(jī)械性能產(chǎn)生某種影響呢？</p><p>　　放大倍數(shù)3×350（1050倍） 放大倍數(shù)10×350（3500倍）</p><p>　　3.3.

81、2 Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件建模分析</p><p>　　在這部分內(nèi)容中，我們采用Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)有無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程建模分析，進(jìn)一步驗(yàn)證為什么裝有輔助電極的雙噴頭靜電紡絲連續(xù)性更好，所得纖網(wǎng)更加均勻。</p><p>　　如下圖（10a）：無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲電場(chǎng)仿真化示意圖；<

82、/p><p>　　如下圖（10b）：輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲電場(chǎng)仿真化示意圖；</p><p>　　如下圖（10c）：輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，雙噴頭附近電場(chǎng)細(xì)化圖；</p><p>　　如下圖（10d）：輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，射流周圍電場(chǎng)分布圖。</p><p>　　經(jīng)建模仿真化后所得結(jié)論與分析</p>

83、<p>　　由圖（10a）表明：無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，每個(gè)噴嘴周圍的電壓分布并不均勻，且差異性較大。由于這種差異性的存在，使得射流在噴射的初始階段非常不穩(wěn)定，從而紡絲連續(xù)性較差。兩個(gè)噴嘴間的電場(chǎng)相互影響，帶有相同性質(zhì)電荷的兩條射流相互排斥，最終使得纖維在收集裝置上的分布不勻（如本文中圖（6a）和圖（6b）所示），這是我們需要避免的。</p><p>　　由圖（10b）、圖（10d）表明

84、：在輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，每個(gè)噴嘴周圍的電壓分布非常均勻，幾乎毫無(wú)差異。這樣就使得射流在噴射的初始階段比較穩(wěn)定，紡絲的連續(xù)性較好。在裝了圓錐形輔助電極后，我們非常驚訝的發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)射流之間的電場(chǎng)干擾消失了！這就意味著，我們完全有可能實(shí)現(xiàn)多噴頭靜電紡絲較理想的生產(chǎn)工藝，并且更為重要的是各噴嘴之間電場(chǎng)相互影響幾乎為零，從而我們可以紡得分布更為均勻、紡絲連續(xù)性更好的靜電紡絲納米纖網(wǎng)。</p><p>　　圖

85、（10a）無(wú)輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲電場(chǎng)仿真化示意圖</p><p>　　圖（10b）輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲電場(chǎng)仿真化示意圖</p><p>　　圖（10c）輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，雙噴頭附近電場(chǎng)細(xì)化圖</p><p>　　圖（10d）輔助電極作用下雙噴頭靜電紡絲過程中，射流周圍電場(chǎng)分布圖</p><p>　　從上述電場(chǎng)

86、分布圖我們可以看到輔助電極給電場(chǎng)帶來(lái)了跟大的改善作用。為了使模擬結(jié)果更加接近真實(shí)值，我們?cè)陔妶?chǎng)中加入了射流，并通過Ansoft Maxwell 3D電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)射流沿各個(gè)方向的受力進(jìn)行了表征，進(jìn)一步說明輔助電極給靜電紡絲帶來(lái)改善電場(chǎng)、均勻纖網(wǎng)、穩(wěn)定射流的作用。</p><p>　　如下表（4）為有無(wú)輔助電極作用下單噴頭和雙噴頭靜電紡絲過程中射流沿各方向受力的大小。</p><p>　　

87、如下圖（11a）為有無(wú)輔助電極的雙噴頭靜電紡絲噴頭周圍電場(chǎng)分布及相應(yīng)纖網(wǎng)分布圖。</p><p>　　如下圖（11b）為帶有輔助電極的雙噴頭靜電紡絲過程中射流周圍電場(chǎng)分布圖和通過射流沿X、Y、Z三個(gè)方向的受力，經(jīng)計(jì)算得到射流的偏離角度示意圖。</p><p>　　表（4）模擬射流沿各方向受力的大小</p><p>　　圖（11a）為有無(wú)輔助電極雙噴頭靜電紡絲噴頭周圍

88、電場(chǎng)分布及相應(yīng)纖網(wǎng)分布圖</p><p>　　圖（11b）射流受力合成圖</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章中，我們進(jìn)一步明確了本次設(shè)計(jì)具體的設(shè)計(jì)思路，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果分別進(jìn)行相片對(duì)比分析、三維視頻電鏡結(jié)果對(duì)比分析、3D建模分析，從而得到以下結(jié)果：</p><p>　　裝有

89、輔助電極的單噴嘴靜電紡絲所獲得的纖網(wǎng)均勻性好，紡絲連續(xù)性好，不易受外界因素的干擾，并且所得的納米纖維直徑更細(xì)。</p><p>　　裝有輔助電極的雙噴頭靜電紡絲過程中，兩噴嘴之間的電場(chǎng)干擾減小，有利于提高纖網(wǎng)的均勻性和紡絲的連續(xù)性，并且所獲納米纖維直徑更細(xì)。</p><p>　　對(duì)單噴頭和雙噴頭靜電紡絲過程中出現(xiàn)的凸點(diǎn)和條狀物提出了疑問，并給出了大膽的分析和設(shè)想。</p>&

90、lt;p>　　通過電磁場(chǎng)分析軟件仿真化，進(jìn)行電場(chǎng)仿真和模擬射流受力分析，闡釋輔助電極之所以可以帶來(lái)更好的紡絲效果的原因。</p><p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)取得了如下成果：</p><p>　?。?）靜電紡絲過程中在噴嘴處加裝輔助電極可以改善靜電場(chǎng)分布，起到穩(wěn)定射流、均勻纖網(wǎng)的作用，并且在紡絲

91、過程中不易受外界因素干擾。</p><p>　?。?）在輔助電極作用下單噴頭靜電紡所得納米纖維的直徑更細(xì)。</p><p>　?。?）圓錐形輔助電極的下底面直徑不變，隨著上底面直徑的減小，輔助電極對(duì)穩(wěn)定射流、均勻纖網(wǎng)的效果越好。</p><p>　　（4）當(dāng)圓錐形輔助電極上底面直徑一定時(shí)，所紡纖維并非隨著下底面直徑增大而變細(xì)。因而我們預(yù)測(cè)，或許當(dāng)上下底面直徑為某一比

92、值時(shí)，可以獲得平均直徑更細(xì)的納米纖維。</p><p>　　（5）在輔助電極作用下雙噴頭靜電紡所得納米纖維直徑更細(xì)。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們還實(shí)現(xiàn)或即將實(shí)現(xiàn)以下成果： </p><p>　?。?）已在PACIIA2010上發(fā)表論文《Electric Field Simulation of Electrospinning with Auxilia

93、ry Electrode》,被EI收錄。</p><p>　　（2）正申請(qǐng)專利《裝有圓錐形輔助電極的多噴頭靜電紡絲裝置》。</p><p>　　（3）已完成創(chuàng)新項(xiàng)目“新苗計(jì)劃”一項(xiàng)。</p><p>　?。?）論文“裝有圓錐形輔助電極的雙噴頭靜電紡絲電場(chǎng)仿真化”擬投送紡織學(xué)報(bào)。</p><p>　　毋庸置疑，納米纖維是今后紡織業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要

94、方向。納米微粒是由有限數(shù)量的原子或分子組成的、保持原來(lái)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)并處于亞穩(wěn)態(tài)的原子團(tuán)或分子團(tuán)。當(dāng)物質(zhì)的線度減小時(shí)，其表面原子數(shù)的相對(duì)比例增大，使單原子的表面能迅速增大。到納米尺度時(shí)，此種形態(tài)的變化反饋到物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能上，就會(huì)顯示出奇異的效應(yīng)，主要有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)這四種最基本的特性，它們體現(xiàn)了納米纖維材料的基本特征。除此之外，納米纖維材料還有在此基礎(chǔ)上的其他特性，如：介電限域效應(yīng)、表面缺陷、量子隧

95、穿等。這些特性使納米纖維材料表現(xiàn)出許多奇異的物理、化學(xué)性質(zhì)，出現(xiàn)很多從未出現(xiàn)的“反常現(xiàn)象”，從而引起了人們的極大興趣。</p><p>　　輔助電極和多噴頭裝置的應(yīng)用也將成為靜電紡絲制備納米纖維發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，多噴頭可以增加靜電紡絲的產(chǎn)量，輔助電極可以穩(wěn)定電場(chǎng)，均勻纖網(wǎng)。我們有理由有信心相信隨著靜電紡絲方向的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化的道路指日可待。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

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108、</p><p>　　輔助電極作用下多噴頭靜電紡絲射流拉伸過程力學(xué)分析</p><p><b>　　一、前言部分</b></p><p>　　1 靜電紡絲的定義及其過程</p><p>　　靜電紡絲是一種制備納米纖維的方法，其設(shè)備一般包括高壓靜電發(fā)生器、供液裝置和接收裝置。它是利用靜電荷使噴嘴尖端的聚合物溶液從半球形