引入磁场的静电纺丝技术及其对非稳态流动控制机理的研究

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静电纺丝技术是一种生产纳米纤维最直接、最有效的方法,其生产过程简单而又经济,所以该技术已经成为世界竞相研究的热点课题。由于静电纺丝过程具有不稳定性,导致了在多喷嘴纺丝过程中,容易出现多股纤维并丝的现象,造成了纤维成纤结构不均匀等不良后果。因此,不稳定性成为静电纺丝技术实现大规模工业化生产的一个瓶颈问题。本文以控制带电喷射流的不稳定运动行为为目的,首次提出磁控静电纺丝技术,以期利用磁场来实现对带电喷射流运动轨迹的控制。本文对磁控静电纺丝过程进行了理论上的研究。通过对磁控静电纺丝过程中带电喷射流的运动行为及受力状况的分析,从理论上证实了磁场对带电喷射流非稳定性控制的可行性。通过理论推导,分别得到了在无磁场和有磁场的条件下,带电喷射流在下落过程中摆动幅度与喷射流运动距离之间的关系式。分析结果表明;引入磁场后,带电喷射流的摆动幅度减小,而且自身的能量损耗减少,因而带电喷射流有更多的能量来促使自身的拉伸细化,促使纤维的直径相应减小。同时在磁场的作用下,纤维内部大分子链排列的有序度增加,纤维的结晶度增加。利用龙格-库塔方法,对带电喷射流的运动模型进行数值计算。分别在无磁场和有磁场的情况下,对带电喷射流建立离散的数学模型,将带电喷射流模拟成多个离散的带电珠子,珠子之间由粘弹性物质相连,分析每个珠子的受力状况,在此基础上,利用matlab软件计算出相关结果。数值计算结果也表明;在磁控静电纺丝过程中,带电喷射流的摆动幅度比没有磁场作用下的摆动幅度小;在适当的接收距离下,磁场对带电喷射流的不稳定性具有明显的控制作用。在理论分析的基础之上,通过试验验证了磁场对带电喷射流的不稳定运动行为的控制作用。自行设计了一套磁控静电纺丝设备,主要包括传统静电纺丝系统和励磁装置。利用该设备,以PAN为实验原料,通过正交分析以及二次响应面方法来研究外加磁场、纺丝工艺参数及其之间的交互效应对纺丝效果的影响。试验结果表明,引入磁场后,带电喷射流的摆动幅度有所减小。随着磁场的增大,
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