離心熔體靜電紡絲的實驗和模擬探索.pdf

1、隨著納米纖維的應(yīng)用涉及各種重要行業(yè)，世界范圍對納米纖維的需求量和需求標準在同時增大和增高，因此現(xiàn)在對納米纖維制備的設(shè)備要求和工藝水準也變得更高。在近十年的快速發(fā)展中，離心靜電紡絲技術(shù)因其結(jié)合了離心紡絲和靜電紡絲兩種傳統(tǒng)紡絲方法的優(yōu)點而備受關(guān)注，但同時其也融合了兩種裝置，所以其整體裝置變得更加復(fù)雜。因此離心靜電紡絲設(shè)備的制造，使用，及其紡絲工藝的探索對于納米纖維行業(yè)的發(fā)展帶來的既是機遇也是挑戰(zhàn)。
　　離心靜電紡絲可采用不同狀態(tài)的紡絲

2、原材料，采用熔體作為原材料的為離心熔體靜電紡絲，采用溶液作為原材料的為離心溶液靜電紡絲。到目前為止，離心溶液靜電紡絲生產(chǎn)的纖維無法完全避免有毒溶劑的副作用，而離心熔體靜電紡絲方法幾乎沒有被科研人員詳盡研究過。因為傳統(tǒng)的熔體紡絲方法制備高性能纖維時就存在很多困難，包括不同溫度和不同加熱時間對不同材料的影響機理不明確，設(shè)備溫度難以精確掌控，電磁對熔體材料的影響機理不明確。熔體靜電紡絲制備的纖維存在直徑較粗，纖維無序，效率低等缺點。離心熔體紡

3、絲制備的纖維整體性能不統(tǒng)一，達不到較高的應(yīng)用標準。這些缺點都影響了該紡絲方法的工業(yè)化進展。針對現(xiàn)有紡絲方法存在的缺點和弊端，迎合納米纖維的發(fā)展趨勢，本論文有針對性的展開了對離心熔體靜電紡絲的實驗和模擬探索。以下是主要研究內(nèi)容:
　　首先，采用本實驗室自主設(shè)計和制造的離心熔體靜電紡絲裝置，探索這套裝置能否順利采用工業(yè)上常用的左旋聚乳酸材料進行納米纖維的制備。通過表征制備的納米纖維，分析總結(jié)本裝置對左旋聚乳酸納米纖維詳盡工藝參數(shù)的影響

4、規(guī)律。結(jié)果表明本裝置能順利并且高效的制備出無溶劑的左旋聚乳酸的微納米級纖維膜，效率可達到22g/min。通過總結(jié)電壓，轉(zhuǎn)速，溫度等工藝條件對纖維直徑、產(chǎn)率、結(jié)晶度等性能的影響規(guī)律，得出最佳工藝條件為:電壓35kV，轉(zhuǎn)速1260rpm，溫度235℃，收集距離8cm。
　　其次，采用離心熔體靜電紡絲技術(shù)制備可達醫(yī)學(xué)應(yīng)用的有序的左旋聚乳酸納米纖維膜，對纖維膜的有序度進行了表征和分析，總結(jié)了不同紡絲工藝條件對纖維有序度的作用規(guī)律。然后對本

5、方法制備出的有序和無序的纖維膜作為生物支架進行生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的探索，進行了包括細胞的成活率，增殖，分化等實驗。最終順利制備出高度有序的以及無序的左旋聚乳酸微納米纖維膜，將不同工藝參數(shù)對纖維有序度的作用規(guī)律進行了總結(jié)。醫(yī)學(xué)生物實驗結(jié)果表明了這種無溶劑的左旋聚乳酸纖維膜支架具有無毒性，細胞成活率超過95％，有序的纖維膜作為生物支架效果更好。所以這種方法制備的無溶劑左旋聚乳酸纖維膜能夠模仿固有肌腱組織架構(gòu)的形式，將來在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面有著巨大潛力。

6、
　　最后，為改善上述左旋聚乳酸纖維膜的機械性能，本論文探索了離心熔體靜電紡絲技術(shù)制備含左旋聚乳酸和聚環(huán)氧乙烷的復(fù)合纖維膜，并通過一系列的表征及力學(xué)性能測試，再通過與純左旋聚乳酸的纖維性能進行對比，發(fā)現(xiàn)復(fù)合纖維膜結(jié)晶度和纖維直徑都明顯得到改善。復(fù)合纖維膜的平均直徑最細達到1.85 um。且隨著復(fù)合纖維膜中PEO含量從10％增加到30％，復(fù)合纖維膜的結(jié)晶度明顯提升。經(jīng)過熱壓后處理，復(fù)合纖維膜的強度也得到提高，但是韌性方面還有待改善。

7、通過進一步實驗的結(jié)果，驗證了本紡絲方法所得纖維膜能達到工業(yè)化應(yīng)用的要求。
　　盡管本裝置高效的制備出了有序的無溶劑微納米纖維膜，但在此過程中也遇到了許多困難和問題，尤其是裝置組合的復(fù)雜性以及裝置中各種零部件的精確度都對紡絲實驗有一定的影響。為不斷改進裝置中的缺點，更快更高效的獲得裝置設(shè)計對紡絲纖維的影響規(guī)律。本論文用有限元軟件對本裝置中受熱的關(guān)鍵部件，即旋轉(zhuǎn)圓筒的溫度場進行了模擬。根據(jù)模擬情況和前期的實驗情況嘗試設(shè)計了新一代的離心