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。     

熔体静电纺丝制备聚乳酸纤维的吸油性能研究

利用熔体静电纺丝制备聚乳酸（PLA）超细纤维,并添加蔗糖脂肪酸酯（SE）细化电纺纤维减少降解率。对纤维进行扫描电子显微镜、接触角、吸油倍率和油水选择性等表征测试,结果表明,PLA/SE纤维平均直径最细达到173μm,对水接触角在135°~140°;纯PLA纤维对机油、原油、柴油、花生油的吸附倍率分别为99、72、56和66g/g,而PLA/SE纤维对这些油品的吸油倍率分别为129、98、63和87g/g,明显高于纯PLA纤维;PLA/SE纤维的油水吸附选择性高达1000倍,同时具有良好的浮力和一定的可重复使用性;另外,温度对纤维的吸油倍率也有一定影响。     

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。     

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。     

静电纺丝技术制备TiO_2纳米纤维的研究

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇溶液为基体,加入体积分数为6%的钛酸异丙酯,制得前驱体溶液,在高电场强度下用静电纺丝法制备了PVP/Ti(OCH(CH3)2)4复合纳米纤维,经600℃高温煅烧得到金红石和锐钛矿混杂的二氧化钛(TiO2)纳米纤维,直径约150～200 nm.研究了不同电纺参数对PVP/Ti(OCH(CH3)2)4复合纳米纤维的形貌的影响.通过差热-热重分析(TG-DSC)、红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)等分析测试手段对制得的TiO2纳米纤维进行表征.     

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.     

蒲绒纤维的吸油性能

利用蒲绒纤维作为吸油材料吸附机油和植物油.结果表明:由蒲绒纤维制得的吸油材料吸油效果良好,1g纤维分别能吸收24.7g纯机油和27.8g纯植物油;在油:纯净水混比1:4条件下,1g纤维分别能吸收17～22g机油和18～24g植物油.香蒲绒纤维经2.5kPa压强机械挤压重复5次,1g蒲绒纤维分别吸收11g机油和9g植物油.蒲绒纤维独特的结构和表面蜡质是决定其吸油能力的重要因素.     

静电纺丝法制备金属氧化物纳米纤维的研究

在高度集成化浪潮的推动下,现代技术对纳米尺度功能器件的需求将越来越迫切.纳米线/管等一维材料作为纳米器件中必不可少的功能组件,在纳米研究领域中的地位显得愈发重要.静电纺丝法是一种能够连续生产直径在纳米级的高聚物纤维的方法.本文主要介绍利用静电纺丝方法制备金属氧化物纳米纤维的研究进展,并展望了其可能的应用.     

静电纺丝法制备ZnO纳米纤维及其光催化性能的研究

以聚乙烯醇作为络合剂与醋酸锌反应制得纺丝液,采用静电纺丝法制得聚乙烯醇/醋酸锌复合纤维,经煅烧后得到直径为100 nm的纯ZnO无机纳米纤维.对所制得的纳米纤维的结晶度、纯度和表面形貌,分别采用X射线粉末衍射、差热-热重分析(TG-DTA)、红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)等分析测试手段进行表征.光降解亚甲基蓝水溶液的实验结果表明,700℃下煅烧得到的ZnO纳米纤维,紫外光照60 min使质量浓度为20 mg/L亚甲基蓝溶液的脱色率达99%,ZnO纳米颗粒对亚甲基蓝脱色率为84%,这充分说明ZnO纳米纤维具有良好的光催化性能.     

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。     

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。     

高熔体强度聚丙烯的非等温结晶动力学

运用DSC手段研究了高熔体强度聚丙烯的非等温结晶行为，并与普通聚丙烯进行了对比。对所得数据用修正Avrami方程的Jeziorny法进行处理。用Jeziorny法求出的参数Z_c 和n随冷却速率的增加而增加 ,但高熔体强度聚丙烯的Z_c 和n值略大于线性聚丙烯的Z_c 和n。在相同的降温速率下高熔体强度聚丙烯的ΔH_c 比普通聚丙烯的ΔH_c 的小。     

连续玻纤增强聚丙烯熔融浸渍过程降黏研究

将不同配比的高黏度聚丙烯与低黏度聚丙烯共混制备高低黏度树脂混配基体,旋转流变测试结果显示低黏度聚丙烯的加入显著降低了共混体系的黏度。以高低黏度聚丙烯共混物为热塑树脂基体,采用熔融浸渍方法制备连续玻纤增强聚丙烯热塑预浸带。研究发现随着低黏度聚丙烯含量的增加,热塑树脂基体的加工性能明显提高,预浸带制品的孔隙率及纤维断裂率逐渐降低。将各组预浸带模压成型后进行力学测试,结果显示低黏度聚丙烯的加入使层压板层间剪切强度、弯曲强度、拉伸强度均出现小幅度下降,而对冲击强度基本无影响。结合加工性能及力学性能,低黏度聚丙烯质量分数10%时共混物的综合性能最佳。     

纺织纤维用于城市河道突发溢油污染的治理

针对城市河道突发溢油污染事件频发,河道内溢油污染快速迁移扩散,以及溢油拦截需联动快速响应的特点,采用3种市场易得、数量充足的纺织纤维材料作为吸油材料,进行了溢油吸附拦截实验研究.本研究探索了棉花、亚麻和大麻纤维对水面浮油的吸附速率、吸附能力以及河水温度对材料吸油能力的影响,并通过拟合分析,得到不同吸油条件下的等温吸附动...     

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。     

用差示扫描量热法确定原油的含蜡量

应用DSC热分析技术得到了原油析蜡过程的热谱图 ,测定出了原油的析蜡点、析蜡高峰点、析蜡热焓等特性参数。给出了根据DSC实验结果计算原油含蜡量和一定温度区间内原油析蜡量的方法。分别对大庆、中原、胜利油田的原油进行了DSC热分析实验 ,根据其DSC热谱图计算了 3种原油的含蜡量以及不同温度区间内的原油析蜡量。其计算结果与采用RIPP 90方法 (氧化铝吸附法 )的测量结果对比表明 ,二者吻合较好 ,从而验证了DSC方法的可靠性。计算原油含蜡量方法的关键是选取DSC热谱图基线及确定蜡的平均结晶热。蜡的平均结晶热与原油中蜡的分子结构、碳数值等因素有关。胜利原油蜡的平均结晶热取 2 15J/g ;对未知分子结构的原油 ,建议蜡的平均结晶热取为 2 10J/g。     

乳化油节能降污理论探讨

叙述了乳化油在燃烧过程中不同燃烧反应机理，实验证明了燃烧乳化油具有节能、节油和减少环境污染的效果。     

PAN纤维致密性与油剂渗透的相关性研究

通过调整成纤条件改变PAN纤维的致密程度,经后续的上油工序制得含有油剂的PAN纤维。采用体密度表征纤维的致密程度;借助直流电弧原子发射光谱(DC-Arc-AES)和电子探针(EPMA)分别表征Si原子含量及其微区分布;借助孔分析和粒度分析分别表征PAN纤维中的孔径分布和油剂分子的粒径。结果表明,油剂分子的平均粒径小于纤维的平均孔径,通过范德华力作用吸附于纤维表面,并从纤维表面的开孔渗透进入纤维内部,到达纤维的芯部。凝固浴温度升高,纤维的致密性下降,渗透进入纤维内部的油剂分子数量增加。凝固浴浓度上升、预牵伸倍数提高,纤维的致密性增加,渗透进入纤维内部的油剂分子数量减少。