熔体纺丝在材料专业实验教学中的利用简

针对苏州大学材料专业的特点及现有的实验条件,对材料专业实验中熔体纺丝的实验教学进行了改进,将以往熔体纺丝作为演示性和验证性的实验改为大型的综合性、实践性质的实验.结果表明,通过亲自动手设计实验和操作实验设备,学生对熔体纺丝实验有了更深刻的理解,更好地掌握专业知识,同时也有利于教师和学生的教学与科研互动.     

熔体静电纺丝技术研究进展

熔体静电纺丝技术作为一种不使用溶剂的超细纤维绿色制备工艺，在高性能无纺布、生物医药和高效过滤等方面有着广泛的应用。本文简单回顾了熔体静电纺丝研究历史，阐述了熔体静电纺丝工艺特点，综述了近年来熔体静电纺丝工艺、材料、装置及应用新进展，介绍了笔者团队熔体微分静电纺丝技术，并在最后提出几点对未来熔体静电纺丝研究重点的看法。通过本文，以期增进对超细纤维绿色制造新理论、新方法和新装备的认识。     

熔体微分静电纺丝纳米纤维高效绿色制备技术

纳米纤维在生物医疗、高效过滤及生化防护等领域有着广泛的应用前景。静电纺丝被学术界及工业界认为是最具产业化制备纳米纤维的前景技术之一,其中熔体静电纺丝无需使用溶剂,相比溶液静电纺丝,避免了有毒溶剂残留、回收及处理等问题,是聚合物纳米纤维绿色制造的发展方向。然而,受到装备复杂、工艺滞后的影响,熔体静电纺丝始终未能突破纤维细化难、制备效率低的瓶颈。为此,团队创新提出了熔体微分静电纺丝新方法,经过十余年探索,围绕其工艺、装备、材料及应用等进行了系统的研究,率先实现了500 nm范围内熔体电纺纳米纤维的工业化制备,并建立了世界上第一套熔体微分静电纺丝纳米纤维工业化生产线。本文将从熔体微分静电纺丝的机理、关键技术、纳米纤维批量绿色制造及应用三个方面介绍熔体微分静电纺丝的研究成果及最新进展。     

干法纺丝的实验教学装置

由于工业干法纺丝设备费用高、占地空间大,几乎没有几所高校能够为在校的高分子及其相关专业本科学生提供相应的干法纺丝的实践机会。黑龙江大学化学化工与材料学院实验室利用工业用干法纺丝设备,依据干法纺丝的实验原理组建了一套微型干法纺丝装置。该装置不仅能满足大多数高分子及其相关专业对干法纺丝实验的需求,还能拓展学生的专业实验技能。     

复合芳香纤维皮芯层材料的流变性能研究

报导了用HAAKE流变仪对芳香纤维皮层和芯层材料的流变性能研究,实验结果表明,皮芯层材料熔体均呈现切力变稀特性,而芯层非牛顿指数n值较小且随香料含量增加其粘度下降明显.研究结果为确定合理的芯层组成比和纺丝加工工艺等提供了理论依据.     

锯齿引导型无针熔体微分电纺工艺

提出一种锯齿引导型无针熔体微分静电纺丝工艺方法,用来改进熔体静电纺丝纤维直径不均匀问题。首先将其与无锯齿引导型无针熔体微分静电纺丝进行对比,然后在自制的设备上进行正交试验,以探究其最佳纺丝工艺参数。试验结果表明:锯齿引导提高了纤维的均匀性,在聚丙烯(PP)进料流速一定的条件下,最佳纺丝工艺参数为纺丝温度240℃、纺丝电压65 k V以及纺丝距离105 mm;在此条件下测得最小的纤维平均直径为820 nm。     

用于制造碳纤维的石油沥青纺丝工艺的研究

本文研究了用于制造碳纤维的石油沥青的纺丝工艺,包括纺丝温度,压力,速度及沥青的结构和性质对纺丝性能的影响。探讨了纺丝熔体的流变学特性。找出了用控制熔体粘度在10Pa·s泊左右来选择纺丝最佳温度的方法,及用增加纺丝压力来提高可纺性的可能性。     

聚合物湿法纺丝的教学实践

由于湿法纺丝工艺流程复杂、设备体积巨大和设备费用昂贵,高校很难为高分子及其相关专业的本科生提供相关的聚合物湿法纺丝成型加工实验。本实验室根据湿法纺丝的理论以及工厂湿法纺丝装置,构建了一套微缩的可用于高校实验室的湿法纺丝的装置。该实验设备简单,成本低。通过教学实践,该装置可以满足大部分高校为在校的高分子专业及其相关专业的本科生提供与湿法纺丝有关的实验,增加学生在聚合物加工成型中湿法纺丝方面的实践需求。     

内外双层锥面熔体微分静电纺丝实验研究

为了进一步提高单喷头纤维的产量,在熔体微分静电纺丝的基础上,设计开发了一种结合内外锥面的双层熔体微分静电纺丝装置。通过COMSOL Multiphysics数值仿真软件对其电场进行对比分析,得出增加的内层锥面对外层电场有一定的削弱作用。通过实验分析了内层锥面伸出距离对内外层射流的影响,找到了最佳参数,并且在此参数下,验证了不同电压下的纺丝效果,结果表明,随着电压的增加,内外层锥面电场增加程度相同,内外层纤维直径达到了均匀分布。最后分别采用吹风和吸风辅助对纤维进行了细化,为静电纺丝法制备超细纤维的产业化提供参考。     

热点成型技术在实验教学中的应用

该文构想将静电纺丝和微流控两种技术融入到本科生的实验教学中去,并且在多方的支持下进行了尝试,获得了初步成果。文章对静电纺丝和微流控的装置、实验操作和所获得的产品进行了研究探讨,结果表明静电纺丝和微流控实验项目开设在聚合物成型加工专业实验课程中极大地激发了学生的学习兴趣和热情,具有一定的可行性和先进性。     

聚丙烯纤维熔法纺丝综合实验设计

纺织工程专业本科实验教学从自身专业特色出发,不断强化产业、工程实践能力训练,逐步推进实验教学改革,已将熔法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝等纤维生产工艺,作为综合实验项目系统化引入本科生专业实验课程。熔融纺丝作为最常见的纤维生产工艺之一,因其工艺简单,成本较低,无溶剂回收等问题,较早得到广泛应用。聚丙烯纤维熔法纺丝实验采用聚丙烯切片为原料,切片经过熔融纺丝机组进行熔融、纺丝,让学生进一步熟悉熔法纺丝机组构成以及纺丝工艺参数设置;将纺得的初生纤维进行截面观察,拉伸性能测试,引导学生分析纺丝拉伸倍数对其结果的影响规律及原因。     

用于纺丝成网非织造布的聚合物熔体性能研究

运用纺丝法(Rheotens)和纯拉伸法(RME)研究分析两种聚合物PPU1780F1及NX50081的熔体拉伸流动性能。从熔体拉伸时瞬时拉伸粘度与应变、应变率的关系以及温度的影响,观察聚合物熔体拉伸变化规律。实验结果表明:聚合物熔体受力、拉伸粘度随应变、应变率和温度而改变。PPU1780F1拉伸粘度高,最大应变、应变率明显高于NX50081,适用于纺丝成网非织造布。而NX50081拉伸粘度低,不宜过多拉伸,可选作为注塑模压成型制品的原料。     

基于熔体黏度均匀性的注塑螺杆性能评价方法

通过理论推导和实验验证,开发了一种简便易行的测量注塑过程中熔体黏度均匀性的方法,即通过高速采集和分析塑化熔体流经注塑机喷嘴处的压力波动来反映塑化熔体的黏度波动。通过对4根不同结构类型及参数的注塑螺杆进行实验,分析螺杆构型对熔体黏度波动的影响,及熔体黏度均匀性与熔体温度均匀性、制品的质量重复精度及力学性能的关系,验证了该方法的可行性,最后从熔体黏度均匀性方面对实验用4根螺杆性能予以评价。     

聚合物熔体流变特性及其对纺丝组件内流场的影响

测定了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、常压阳离子染料可染聚合物(ECDP)熔体的流变特性;通过计算流体力学方法对纺丝组件内的流场进行模拟,并利用粒子图像测速(PIV)实验验证了数值模拟的准确性;通过建立的数值模拟方法研究了聚合物熔体的流变特性对纺丝组件内流场的影响。结果表明：在270~290℃的温度范围内,PET和ECDP的流变指数n均随着温度的升高而增大并接近1,聚合物熔体的黏度随着剪切速率的增大而减小;流体的稠度系数K对纺丝组件内的速度场几乎无影响,但对压力分布影响较大,入口压力随着K的增大而增大;流变指数n对纺丝组件内的压力与速度分布有影响,入口压力和入口流速随着流变指数的增大而增大;流体在砂腔内的流速较小但分布较为均匀,在砂腔上游,流变指数越大,流体流速越大;聚合物熔体在喷丝板外圈的喷丝孔之间形成滞留区,并且流变指数越大,滞留区越小,喷丝孔内外圈的流量分配越均匀。     

熔体静电纺丝3D电场模拟

采用有限元分析软件ANSYS对熔体静电纺丝平台模型进行三维电场模拟。分析了纺丝系统在不同电压下的电场分布情况，重点讨论了内锥面喷头间距对纺丝尖端电场的影响。发现在间距为100mm时，内锥面喷头纺丝尖端场强分布最为均匀|纤维路径上的场强随着喷头数量、施加电压的增加而增加，随着喷头间距增加无明显变化；场强较强处出现在纺丝尖端和接收板边缘。在模拟基础上研发了新型一分四的熔体微分静电纺丝机，制备了均匀分布的纤维，为进一步设计纳米纤维宏量化生产的纺丝设备提供参考。     

设计性实验对学生工程实践能力的探究

以吉林化工学院材料成型及控制工程专业实验教学为例,论述了设计性实验的重要性、特点及对学生工程实践能力的影响,总结和引证了设计性实验对培养学生工程实践和创新能力的作用,并提出了开展设计性实验的一些思考。实践表明:设计性实验的开设,不仅提高了学生的实验技能以及综合分析问题、发现问题和解决问题的能力,而且使学生的工程创新实践能力得到全面锻炼。     

基于工程实践能力培养的高分子综合实验设计

基于对工程专业学生解决复杂工程问题能力的培养,设计了一组纤维类综合性实验。要求学生在查阅文献资料并明确实验原理的前提下,设计并优化实验方案,通过原料分析、熔融纺丝工艺的探索、纤维微观结构的解析、纤维形貌和力学性质的研究,建立合成纤维从化学结构到材料加工、产品性能高度关联的知识体系,掌握合成纤维的制备技术,提高应用实践能力。通过该综合实验项目的实施,增强了学生对工业过程的感知,使高分子物理与化学基础知识得到有效的实践和补充,提高了学生自主学习和解决复杂工程问题的能力,培养了其创新能力和工程实践能力。     

高分子材料专业综合实验教学改革与实践

专业综合实验是高分子材料专业的重要实践教学环节,对学生的实践能力和创新精神的培养起着重要的作用。我们通过对高分子材料专业综合实验教学效果的调查,对材料学院高分子材料专业本科生综合实验的定位、实验内容和实验教学方法进行了初步的改革与实践。实践表明实验教学的改革,提高了学生的创新能力和动手能力,为学生的综合素质的培养打下坚实的基础。     

设计性、研究性实验教学探索与实践

高分子材料合成综合实训课程是培养高分子材料专业人才的重要实践环节。该文以高分子材料合成综合实训课程中的一个设计性、研究性实验(高吸水性树脂——聚丙烯酸钠的合成与性能分析)为例,介绍了高分子材料专业开设设计性、研究性实验的必要性、教学内容、教学方法和手段、教学效果。实践证明,通过开展设计性、研究性实验,培养了学生综合分析问题、解决问题的能力以及创新能力,提高了学生的综合素质。     

“材料科学基础”实验教学改革探讨

分析了我校材料成型与控制专业"材料科学基础"课程实验教学中存在的问题,对实验内容及实验设备进行了改革。实践证明,实验教学内容的整合,综合性、设计性实验的开设,不仅提高了学生的实验技能以及综合分析问题、发现问题和解决问题的能力,而且使学生的创新实践能力得到全面锻炼。