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。     

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。     

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.     

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.     

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...     

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%。     

静电纺丝聚丙烯腈纳米纤维工艺参数与纤维直径关系的研究

采用静电纺丝方法来纺制聚丙烯腈（PAN）纳米纤维毡研究了质量分数、电压、针孔孔径、纺丝液中LCl的含量、接受距离等参数对纤维直径及离散度的影响，采用扫描电镜来观察纤维的直径及其形态。采用正交试验设计法，发现纺丝液的质量分数与纺丝液中LiCl的含量是影响纤维直径最重要的参数。经过优化，纺制出最小直径为98nm的纳米纤维。     

静电纺丝制备二氧化硅纳米纤维

以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用溶胶凝胶法制备硅溶胶,研究了体系中水、盐酸的含量对其电纺性能的影响.用电纺法制备出表面光滑、尺寸均匀,直径500~600 nm的二氧化硅(SiO2)纳米纤维.由静电纺丝得到的SiO2纳米纤维经室温下干燥和800℃高温煅烧后,分别用扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱法(FTIR)、热重分析法(TG)对其进行了表征和分析.     

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。     

直线式双组分熔体微分电纺“月牙状”聚丙烯纤维制备

搭建直线式熔体微分电纺设备,制备了聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）双组分纤维,将所制样品放入丙酮水溶液中作浸泡处理,溶解PLA组分获得PP单组分异形纤维;然后对PLA添加增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）进行降黏处理,以达到改变PLA熔体流动速率（MFRs）的目的,探究不同MFRs差异所产生的不同包裹现象。研究结果表明,两种组分的MFRs差异对双组分纤维的包裹现象产生显著影响,且通过实验可知,当ATBC质量分数为6%的PLA与PP共纺时,可得到形貌最佳的PP组分异形纤维。     

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.     

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。     

均匀场域中工频电场畸变效应分析

空间电场测量时,因电场传感器探头被引入到测量域中,探头附近的电场将发生畸变,而影响电场测量精度。以球形探头为研究对象,利用分离变量法分析了均匀电场中引起电场畸变的影响因素,具体分析了10 kV电压下,球形传感器探头尺寸、电极材质以及测量电极的极间耦合对电场畸变的影响。根据传感器感应电压与电场强度大小成线性关系,利用影响因子矩阵对电场畸变进行了校正分析。分析结果表明,在均匀电场中探头附近和主电极与副电极之间产生较严重的电场畸变,平均畸变率在27%以上;利用影响因子矩阵对电场畸变进行校正后平均误差为4.47%左右。通过对球形探头传感器在均匀场域中的工频电场测量的畸变效应分析,有利于降低畸变对电场测量影响,提高电场测量的精确性。     

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。     

有限长均匀带电圆柱体轴线上的场强

本文针对均匀带电直线端点场强的不确定性 ,提出了均匀带电圆柱体轴线上的场强计算 ,结果表明 ,在不同条件下 ,均匀带电圆柱体的场强表达式将变成均匀带电直线、均匀带电圆面的场强。并证明了均匀带电圆柱体端点的场强连续     

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.