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。     

电场分布对静电纺丝纤维直径的影响

为了研究电场对静电纺丝纤维直径的影响,设计两种具有不同电场分布的单针头和辅助板静电纺丝装置,采用聚氧化乙烯(PEO)为原料,在两种纺丝装置中,分别设计不同纺丝电压、纺丝接收距离和纺丝流量参数下的对比试验.并用Maxwell软件模拟纺丝装置中的电场强度分布,结合试验结果说明电场分布影响静电纺丝的纤维直径,从而得出在均匀电场中所纺丝的纤维直径较小.     

熔体静电纺丝中电极材质和形状对电场和纤维的影响

电场强度大小及分布对静电纺丝工艺的成纤形貌和接收面积具有重要影响。采用COMSOL Multiphysics分析软件建立电场分析的有限元模型,分别研究了熔体静电纺丝工艺中接收电极材质和形状对电场分布的影响,结果表明塑料在一定程度上削弱了电场强度,但是增加了电场的均匀度。通过扫描电子显微镜观测了接收电极材质和形状对纤维直径和形貌的影响,发现在不同的接收电极形状中,中空电极内环边缘电荷聚集,纤维摆动路径延长,获得较多的羊毛圈状纤维;对于方格状电极板,由于大方格的孔隙较大,削弱了电场,纤维直径较粗,中方格尺寸相对适中,可能对电场有一定的均化作用,因此降落到中方格电极板上的纤维沉积面积最大。     

电场均匀性对三孔和三针头静电纺丝的影响

为了研究电场分布对静电纺丝纤维直径的影响,设计一种以孔代替针头的平面三孔静电纺丝装置,与传统三针头静电纺丝装置进行对比试验,同时用Maxwell软件对两种静电纺丝装置的电场分布进行模拟.试验与模拟结果表明:以孔代替针头的纺丝装置中的电场分布更加均匀,所纺纤维直径更小且分布更加均匀.     

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。     

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。     

离心静电纺丝旋转接收装置电场分布模拟

利用有限元分析软件对离心静电纺丝接收装置的电场分布进行了模拟分析,以寻找最优电场。模拟了金属接收圈和网状金属接收圈在不同位置和宽度下电场强度分布和电势的变化情况,利用电势等值线分布图和电场强度矢量图分析总结电场强度的变化规律。模拟结果表明：在电压固定的情况下,电场强度与接收板到喷头的距离成反比,与接收板的宽度成反比,与网状接收圈的网格密度成反比。本文结果对离心静电纺丝过程中纳米纤维直径及形貌的控制和装置的优化具有参考意义。     

静电纺丝的电场分布对纳米纤维取向的影响

旋转收集法是静电纺丝中收集取向纤维的主要方法,但试验表明仅仅依靠高速旋转难以获得取向纤维,由此表明许多因素影响纤维取向.采用Maxwell软件对静电纺丝中不同条件下的电场分别进行仿真,分析了电场分布对纤维取向的影响.根据仿真结果,提出了改善电场分布和增强纳米纤维取向效果的有效方法,包括选择对称的框架结构、穿套辅助板的喷丝嘴、中继环形电极,按照最佳电场分布改进静电纺丝装置,并进行了静电纺丝,获得了取向较高的静电纺纳米纤维,证实了该仿真结果的准确性.     

熔体微分静电纺丝聚丙烯纤维的吸油性能研究

利用自制熔体微分静电纺丝装置制备不同纺丝温度条件的聚丙烯纤维。获得纤维的平均直径为810 nm,单个喷头产量达13 g/h;电纺纤维接触角分布在140°~150°,对比数据发现接触角与纤维直径无明显关系;聚丙烯纤维棉相对机油的最大初始吸油率、吸油倍率和保油率分别为235、158和62 g/g。初步探究吸油机理表明,吸油倍率随纤维直径的减小、孔隙率的增加、油品黏度的增加有增大的趋势,纤维样本重复吸/放油7次后,其吸油倍率为原来的59%~78%。     

静电纺丝参数对纳米纤维纱线力学性能的影响

自制静电纺丝纳米纤维机械加捻成纱装置,对其电场进行模拟分析表明,单针头电场强度矢量几乎都指向接收圆盘和圆环,符合试验现象.在制备静电纺丝纳米纤维纱线时,分析各参数对纳米纤维纱线形态及力学性能的影响.结果 表明:随着圆环至圆盘距离的增大,纳米纤维纱线的平均捻回角呈逐渐变小的趋势,其直径呈增大趋势,纳米纤维纱线的断裂强度及...     

电脉冲作用下A1—5％Cu熔体内电场分布规律

采用数值模拟与实验验证相结合的方法,对电脉冲作用下A1-5％Cu熔体内电场分布规律进行了研究。结果表明：脉冲电场在熔体表层附近较强,随着熔体深度的增加,电场强度逐渐减弱：电极电阻率越小,电脉冲在熔体内部形成的电场强度越大,电极电阻率越大,电脉冲在熔体内部形成的电场强度越小：两电极间距越大,熔体内部电场强度越弱,越有利于电场强度的均匀分布：对于电极电阻率与熔体电阻率相近的情况下,电极插深对熔体内电场分布影响不大。     

水电解槽内电场的仿真分析

为了得到水电解的微观解释,为水电解槽的结构参数提供理论指导,对水电解的电极理论及水电解热力学参数进行了研究,并运用ANSYS软件对其电场进行了模拟分析,得到水电解槽的电压分布和电流密度分布,并对其结果进行分析.分析结果表明:出气孔边缘接近电极片处的电压,随着离边缘距离的增大逐渐变小.电极片出气孔边缘处的电流密度最大,使得出气孔与电极片交界处产气量最大,有利于更多的气体顺利排出.     

高压静电纺丝机工作电场FEM分析

为有效提高纺丝的收集效率和纺丝的性能,以自行设计的新型卧式高压静电纺丝机为研究对象,通过合理简化纺丝机结构设计,建立了纺丝工作电场的线性有限元模型,总结了ANSYS数值模拟结果,发现:静电纺丝工作电场的电势和电场强度矢量横向成轴向对称分布,且场强最大值出现在喷丝管管口处,约2. 64×106 V/m,方向垂直钢板向上,与实际情况十分吻合.同时,场强随着距离负极板越近,下降的越快,尤其是在靠近喷丝管管口处的一小段距离内,场强值急剧下降.在靠近收集装置时,场强值已下降到相对较小的范围以内,这些将对整个纺丝过程的稳定性产生影响,表明纺丝机工作静电场结构参数需进一步合理设计,为后续实施静电纺丝装置结构的优化设计提供了依据.     

一种输电线路电场计算中导线内模拟电荷的优化设置方法

模拟电荷法(charge simulation method, CSM)是计算输电线路周围电场的常用数值方法。为了实现导线内模拟电荷的最优设置并提高电场计算精度,提出了一种被称为分布圆半径优化法的导线内模拟电荷的优化设置方法:在每相等效导线的同心圆上均匀设置4根模拟线电荷,以校验点电位误差为适应值函数,利用一种粒子群优化模拟电荷法(particle swarm optimization charge simulated method, PSOCSM)搜索得到使适应值最小的模拟电荷分布圆的半径。导线表面的电位校验结果显示:分布圆半径优化法的校验点电位平均相对误差比中心单根法(等效导线的中心设置1根模拟线电荷)的误差小2个数量级。利用对应的模拟电荷组进行电场计算,结果表明:相较中心单根法,采用分布圆半径优化法的模拟电荷组计算的21个地面测点的电场值更接近COMSOL仿真值。可见分布圆半径优化法能有效实现导线内模拟电荷的最优设置并提高电场计算精度。     

正交电场作用型自旋场效应管的自旋极化控制

研究了电场调控型自旋场效应管的量子输运过程.该场效应管主要由双正交电场和Rashba自旋轨道耦合共同调制.运用散射矩阵方法并结合介观体系的相关输运理论,揭示了自旋场效应管在各参数调控下的自旋量子输运过程,其自旋输运规律可由相关理论给予解释.数值计算表明,与平行电场相比,对于自旋轨道耦合型自旋场效应管的量子输运,垂直电场的调制能够导致更加明显的自旋翻转.     

超高压输电线路附近民用建筑物区域电场数值模拟

传统方法模拟电荷位置及个数的选择对计算结果产生直接影响,仅可进行定性分析,不能有效实现电场数值模拟。提出一种新的基于ANSYS的超高压输电线路附近民用建筑物区域电场数值模拟方法。在ANSYS环境下确定不同单元的种类、材料等,按照实际研究对象构造输电导线与民用建筑物的计算模型,计算超高压输电线路附近民用建筑物区域电场值。研究民用建筑物高度对电场的影响,完成超高压输电线路附近民用建筑物房屋电场数值模拟、棱边倒角前后民用建筑区域电场数值模拟。结果表明:超高压输电线路附近民用建筑物不应过高;超高压输电线路附近民用建筑物棱角电场畸变较棱边更大,屋顶室内与阳台的电场屏蔽效果更加显著;对建筑物棱边进行倒角处理无法优化周围区域电场环境。     

电容器组负荷开关电场与气流场仿真分析

基于电场数值分析理论,采用二维轴对称电场和拉普拉斯方程描述电容器组负荷开关灭弧室内电场,仿真分析分合闸过程中负荷开关的电场分布,计算电场强度随开距的变化情况;仿真分析合闸过程中的预击穿特性;同时,使用有粘气流场的二维可压缩的N-S方程组描述开关内部气流场,计算分闸情况下负荷开关内部的气流场分布情况,并通过耦合计算得到负荷开关不同条件下的介质恢复强度曲线.