静电纺丝溶液的拉伸粘度测量与表征

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静电纺丝技术可有效制备纳米纤维,被广泛应用于过滤器、传感器、太阳能电池等微电子设备中。在静电纺丝过程中,溶液在空间存在显著的拉伸现象,并从初始的毫米级悬滴沉积为最终的微纳米级纤维。然而,由于溶液的拉伸测试方法存在明显的缺陷,导致检测溶液拉伸流变性能的商用拉伸粘度仪较为缺乏,以至于静电纺丝理论中关于溶液拉伸作用的研究很难展开。为了后续能够深入研究静电纺丝理论,本文基于单轴拉伸流动原理,自主研制了聚合物溶液的拉伸粘度测试仪原理机。同时针对静电纺丝技术中常用的聚合物溶液——聚氧化乙烯(PEO)溶液和聚偏氟乙烯(PVDF)溶液,测量并表征了它们的拉伸流变性能。实验结果显示,自主研制的单轴拉伸粘度测试仪原理机,能够有效测量并表征常用静电纺丝溶液(PEO和PVDF溶液)的拉伸粘度,其粘度检测范围包含但不限于6~450 Pa·s,测量的相对误差约为5%。同时,在很低的拉伸应变率下,PEO和PVDF溶液的特鲁顿比值趋向于3,该值基本符合理论值,可见拉伸粘度测试仪原理机的检测基本准确。另一方面,PEO溶液和PVDF溶液都具有拉伸变稀和剪切变稀的特性,两者的特鲁顿值-应变率曲线均为单峰曲线。14%、20%PEO溶液的最大特鲁顿值为5.5、5.9,对应的临界应变率分别为8 s-1、10 s-1;而10%、14%PVDF溶液的最大特鲁顿值为4.3、4.7,对应的临界应变率分别为7 s-1、8 s-1。当PEO溶液和PVDF溶液的应变率小于临界应变率时,特鲁顿值-应变率曲线单调上升,拉伸流变作用比剪切流变作用显著;而当溶液的应变率大于临界应变率时,特鲁顿值-应变率曲线单调下降,剪切流变作用逐渐增强。上述研究表明,自主试制的单轴拉伸粘度测试仪原理机的检测方案基本正确,能够实现对常用聚合物溶液拉伸粘度的测量与表征。研究结果为研究其他聚合物溶液的拉伸流变性能提供了理论依据与实践参考,并对进一步深入研究静电纺丝理论、特别是电纺溶液的拉伸作用与电纺射流的运动规律提供了理论基础和方法途径。
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