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电纺是一种借助高压静电作用,利用聚合物溶液或熔体进行纺丝的过程。它所形成的纤维直径范围为几纳米至几微米。电纺纤维膜具有比表面积高,制备方法简单,材料及形貌可控、生产率较高等优点,在能源存贮、卫生保健、生物技术以及防护安全等领域有许多潜在的用途。近几年,作为电纺纳米纤维的重要组成部分,电纺有序纳米纤维已有了较大的发展。在电纺有序纳米纤维的过程中,聚合物纤维被收集在经过特殊设计的收集装置上。借助库仑力、滚筒切向力或二者合力作用,聚合物纤维在接收装置上得以有序排列。然而迄今为止,电纺有序纤维仍无法制备长时间大面积、高厚度的有序纤维膜,难以实现工业化应用。
散射型偏振片通常是由一种各向同性聚合物和一种双折射材料混合制备而成。各向同性材料的折射率需和双折射材料的寻常折射率或非寻常折射率二者之一相匹配,而与另一折射率失配。当这种混合材料被沿轴向拉伸时,它便可以按照入射光的偏振方向选择性的对其进行散射或透射。散射型偏振片由于光透过率高,制备成本低,方法相对简单,在光学仪器、防眩光玻璃、平板显示器中均有潜在的应用前景。然而目前制备散射型线偏振片主要利用薄膜热拉伸法。这种制备方法复杂度高,制备条件苛刻,且制备成本相对较高。同时拉伸率有限,限制了散射型线偏振片的透射率、偏振度。因此散射型线偏振片的开发研究仍处于实验室阶段。
本论文对国内外电纺制备有序纳米纤维的研究进行了系统分析,提出有序纳米纤维设备的设计方法。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为模型聚合物,对电纺过程中影响纤维有序度的主要因素进行了系统的研究。研究表明:在电纺过程中通过增加平行电极,并通过增加挡板控制纤维射流的飞行方向对纤维有序度的上升具有主要影响。因此通过设计,设计出一种新型的可控制电场力以及纤维射流方向,长时间制备大面积、高厚度、高度有序纳米纤维的电纺装置。同时本论文研究了有序纳米纤维膜的各向异性的光学性质,探讨了纤维有序度、直径以及厚度对纤维各向异性的影响。并在定向纤维膜中加入向列相液晶制成散射型线偏振片,探讨了纤维直径、膜厚以及液晶双折射率对散射型偏振片偏振度的影响。本论文的主要研究工作为:
1)设计开发了一套有序电纺纳米纤维的电纺制备装置,主要包括高压装置、进样装置以及特殊设计的收集装置。在文献报道的绝缘滚筒上增加了平行电极以及纤维挡板,用以控制电场力,降低纤维射流方向的影响,提高电纺有序度。结果表明,文献报道的高速绝缘滚筒收集的纤维,在长时间电纺后有序度不高于45%,通过增加平行电极或纤维挡板后有序度均增长至65-70%。而将两者结合,改进后的电纺装置制备的纤维有序度保持在85%以上。并利用上述装置制备出直径236~1443nm的高度有序的纤维。
2)受沙蚁、蜘蛛等利用太阳光进行偏振导航的动物视网膜的启发,对有序纳米纤维各向异性的光学特性进行了研究。有序纤维膜相比于无序纤维膜显示出良好的各向异性的光学特性。同时研究了纤维有序度、直径以及纤维膜厚对有序纤维膜光学透光率的影响。
3)本论文在有序纳米纤维膜中添加向列相液晶制备了高度偏振的散射型线偏振片,并探讨了纤维直径、纤维膜厚以及液晶双折射率差对散射型线偏振片透光率和偏振度的影响。研究结果表明:减小纤维直径,控制纤维膜厚,增大液晶折射率差均可以有效提高纤维的透光率和偏振度。同时本论文利用直径236nm,膜厚5.3gm的有序聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纤维作为基片,在其中添加双折射率差为0.251的向列相液晶SLC-9023,制备成偏振度为0.92的散射型线偏振片。该偏振片与文献报道的散射型线偏振片相比,具有厚度小,透光率高以及偏振度高等优点。