辅助电极静电纺多射流的形成及机理研究

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静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要也是最基本的方法之一。传统静电纺装置纺出的纳米纤维直径小、均匀,是目前最普遍使用的静电纺装置。但由于装置的效率和产量低,制约了纤维的产业化。  本文在传统静电纺丝装置基础上,对装置进行改进,提出了一只种新型静电纺丝方法——辅助电极多射流静电纺丝法。该方法既继承了传统静电纺丝法的优点又提高了纺丝产量,是一种新型的静电纺丝技术。  为了判断辅助电极多射流静电纺丝方法是否具备提高静电纺纤维的潜力,本文从泰勒锥上出现的多射流数量、多射流演变过程、纤维直径、质量以及对不同溶液体系进行辅助电极静电纺五个角度进行了实验验证。实验发现,在辅助电极静电纺中,泰勒锥上能同时出现多个射流,且多射流数量的变化存在一定的规律,是多射流数量由少到多的演变过程。多射流在运动过程中固化成纤维并且纤维聚集成纤维束,最后沉积在接收极板上。将不同的溶液体系分别进行辅助电极静电纺,能出现多射流,说明辅助电极静电纺丝装置的应用具有普遍性。该方法的纳米纤维具有一定的取向性,可通过改变工艺参数来提高纳米纤维的取向性。研究发现,辅助电极的直径、个数以及纺针针尖到辅助电极的距离影响多射流的数量及演变过程。减小辅助电极的直径、减小针尖到辅助电极的距离以及增加辅助电极的个数都能提高泰勒锥上多射流的数量和稳定性。电压对多射流数量的影响显著,增大电压能提高多射流的数量。为了研究多射流的形成机理,本文采用了Ansys有限元分析软件,建立辅助电极静电纺模型,模拟并分析了电场分布情况,并通过改变辅助电极参数和电压分析电场分布变化,结合实验结果总结出辅助电极减缓了针头附近的场强下降率从而使泰勒锥的自由电荷分布发生变化,形成了多个射流。  本文的研究对于深入认识和了解静电纺丝原理,尤其对于阐明辅助电极静电纺多射流形成机理具有重要意义,也为进一步完善静电纺丝技术、提高纺丝产量提供了实验基础和理论依据。
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