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。     

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。     

电场分布对静电纺PEO纤维取向度的影响

为了探究电场分布对静电纺PEO纤维取向度的影响,将平面单孔喷嘴纺丝装置与传统的针型喷嘴纺丝装置进行对比试验,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)方法测定静电纺纤维的取向度,比较不同工艺参数下纤维取向度的变化,同时利用Comsol软件对两种喷嘴内部和外部的电场进行模拟.试验与模拟结果表明,静电纺丝电场在初始阶段对纤维取向度有明显的影响,针型喷嘴所纺纤维取向度比孔型喷嘴所纺纤维取向度高,而孔型喷嘴所纺纤维的取向度变化更均匀.     

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。     

一种新型静电纺丝装置及其喷头的电场模拟

针对目前静电纺丝装置产量低、纺丝不稳定的问题,设计了一种新型静电纺丝装置并对其喷头进行静电场模拟.首先,对新型静电纺丝装置进行了总体设计;然后,对锯齿式纺丝喷头、刷液头、辅助运动机构等部件进行具体设计分析;在此基础上,运用有限元分析软件COMSOL Multiphysics 5.3建立喷头模型,分析其外部电场的分布规律,理论上验证喷头纺丝的可行性;最后通过静电纺丝实验调整优化喷头设计及纺丝工艺参数.纳米纤维形貌特征的电镜观察结果表明,锯齿式静电纺丝装置可以实现纺丝的连续化,使纳米纤维的规模化生产成为可能.     

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%。     

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.     

均匀设计法优化PVC静电纺丝工艺参数

静电纺丝过程工艺参数对产品结构性能有很大影响,如何可控制备理想的纳米纤维材料成为电纺研究的重点。本文通过单因素实验考察静电纺丝重要工艺参数对PVC纳米纤维膜成纤性状的影响,并以此为依据确定因素水平范围,然后采用均匀设计法进行了多因素多水平的实验设计。实验结果表明:均匀设计法可采用较少的实验数据回归分析得到PVC静电纺丝最佳工艺参数(纺丝液浓度13%、流速1.2 m L/h、混合溶剂质量比DMF/THF=3/2、针头内径0.60 mm、静电纺电压20 k V和纺距25 cm),回归模型能有效预测纤维平均直径和串珠数,得到与实验值接近的结果。此方法为可控、有效制备复杂的聚氯乙烯纳米纤维材料奠定了基础。     

电纺丝制备高聚物纳米纤维

通过自制的电纺丝装置获得高聚物纳米纤维，发现不同高聚物纳米纤维具有不同的直径范围。对影响所得纳米纤维直径的静电压、高聚物溶液浓度等过程参数作分析，认为静电压与高聚物溶液浓度是影响试验进行的关键因素，并制约着其他工艺参数的调整。同时，结合静电喷雾及高速纺丝的理论对纺丝电子流体动力学过程作了一定探讨。     

用均匀设计对PPTA纺丝工艺进行优化

在聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维纺丝工艺初步成形的基础上,利用均匀设计法建立回归模型.以纤维断裂强度作为质量指标,对PPTA纺丝过程中的喷出速度、拉伸倍数、卷绕速度3个主要工艺参数进行了优化,力图用最少的试验次数确定最佳的工艺条件.通过计算得到回归方程,经过残差分析可知该方程的可靠性较高.利用SUMT外点法寻优,计算得到PPTA纺丝的最佳工艺条件:喷出速度为26.68m/min,拉伸倍数为7.76倍,卷绕速度为208.34m/min,则PPTA纤维的理论断裂强度为35.67cN/dtex.     

静电纺丝参数对聚乳酸超细纤维支架形貌的影响

以聚乳酸为原料,采用静电纺丝技术制备纤维支架,研究了溶剂种类和工艺参数对纤维支架和纤维直径的影响规律.结果表明,采用四氢呋喃纯溶剂,所获纤维表面粗糙多孔,采用二氯甲烷可以获得表面光洁的纤维;随着纺丝液浓度的增加,电纺纤维直径增加,串珠形状由不规则形过渡至扁平形和球形,并且纤维直径显著增加;随着纺丝电压的升高,纤维直径呈下降趋势.     

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...     

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.     

聚己内酯取向纳米纤维纱线的制备及其织物的拉伸性能

以可生物降解的聚己内酯(PCL)为原料,以三氟乙醇(TFEA)为溶剂,采用改进的静电纺丝(静电纺纱)技术成功制备了PCL取向纳米纤维纱线.研究了不同静电纺纱工艺参数(溶液浓度、电压、纺丝距离)对PCL纳米纤维纱线的制备以及形态的影响.选定较优的纺纱工艺参数:溶液质量浓度为0.10g/mL,纺丝电压为9kV,纺丝距离为20cm,以该纺纱参数制得PCL纳米纤维纱线,其平均直径为180μm,内部纤维的平均直径为600nm,且纳米纤维沿着纱线轴向高度取向排列.将PCL纳米纤维纱线应用于传统纺织技术,以PCL取向纳米纤维纱线为纬纱,以聚乳酸(PLA)微米长丝为经纱,制备平纹织物小样.将该平纹织物和PCL纳米纤维膜的拉伸性能和孔径分布进行对比分析,结果表明:平纹织物纳米纤维纱线方向的拉伸性能明显高于PCL纳米纤维膜的拉伸性能;另外,与PCL纳米纤维膜相对比,PCL纳米纤维纱线的平纹织物具有大孔径结构,更有利于细胞生长,进一步表明其在组织工程领域具有广阔的应用前景.     

基于纳米纤维覆层的除尘滤料制备

采用静电纺丝技术制备了用于除尘领域的涤纶纳米纤维膜,利用扫描电子显微镜对纤维膜微观形貌进行表征,确定了最佳纺丝条件,并将该条件下制得的纳米纤维膜附着在除尘滤料表面,对其进行阻力特性、分级计数效率及动态过滤性能测试.结果表明,15kV纺丝电压、21cm接收距离、18%纺丝液质量分数为最佳纺丝条件,在该条件下制备的纳米纤维过滤材料阻力较低,清灰性能良好,对3μm以下的微细粒子过滤效率达到99.99%以上,效率提升明显,能有效控制微细颗粒物.     

PAN/HBP复合超细纤维的制备与表征

采用聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺/多氨基超支化聚合物三元体系为纺丝液,通过静电纺丝制备了PAN/HBP复合超细纤维,探讨了聚丙烯腈浓度、超支化聚合物含量、纺丝电压、接收距离和推进速度等因素对复合纤维直径和形貌的影响.结果表明,增大PAN浓度和增加HBP含量,都会使纤维直径增大;静电纺丝电压增大,可以减小纤维直径;适当的接收距离和推进速度才可以获得直径细而均匀的纤维.通过对PAN/HBP复合超细纤维的氨基含量测试和FTIR分析,进一步证实了PAN/HBP复合纤维表面和内部氨基的存在.     

PAN/ZnO抗静电纳米复合纤维膜的制备及性能研究

为了提高聚丙烯腈(PAN)纤维的抗静电性能,以聚丙烯腈原丝为基料,N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂配制了聚丙烯腈纺丝液。然后通过超声波及机械搅拌的方法将不同质量分数的导电性能良好的纳米氧化锌(Zn O)分散在聚丙烯腈纺丝液中,配制成PAN/Zn O二元复合纺丝液,采用高压静电纺丝技术制备具有抗静电性能的PAN/Zn O纳米复合纤维。研究了PAN纺丝液、PAN/Zn O二元复合纺丝液的可纺性以及不同质量分数的纳米氧化锌对PAN/Zn O纳米复合纤维膜的结晶度及体积比电阻的影响。结果表明:纺丝液的可纺性较好,在体积分数为12%,纺丝电压为18k V,接收距离为15 cm,推进速度为0.000 5 mm/s的条件下进行静电纺丝,可以得到纤维直径均匀,纤维平行伸直度良好,表面光滑的PAN纳米纤维;随着纳米氧化锌质量分数的提高,PAN/Zn O纳米复合纤维表面变得粗糙,但结晶度无明显变化,体积比电阻减小,抗静电性能提高。