1、納米纖維是指直徑小于100nm,長(zhǎng)徑比大于100的一維韌性固體材料。由于擁有高比表面積、高表面反應(yīng)活性、高孔隙率、優(yōu)良的熱導(dǎo)與電導(dǎo)性能等諸多優(yōu)點(diǎn),納米纖維在生物醫(yī)用、催化過(guò)濾、傳感器、復(fù)合材料等方面取得了廣泛應(yīng)用。相比于其他微米、納米纖維的制備方法,靜電紡絲是最直接、最有效的制備工藝,然而纖維細(xì)度較粗、副產(chǎn)品較多、產(chǎn)量較低等缺陷遏制了靜電紡絲規(guī)模化、工業(yè)化的進(jìn)程。為克服傳統(tǒng)靜電紡絲的發(fā)展瓶頸,氣泡靜電紡絲工藝應(yīng)運(yùn)而生?；谧匀唤缰┲爰徑z

2、的原理,氣泡靜電紡絲將氣泡巧妙地引入紡絲過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效地制備納米纖維。本文從紡絲的工藝參數(shù)著手,分別研究了紡絲電壓、接收距離以及氣體流量對(duì)紡絲過(guò)程中氣泡、射流及產(chǎn)品的影響,著重討論了電壓的作用。借助標(biāo)度律法、N-S方程對(duì)電場(chǎng)中的粘性氣泡進(jìn)行分析,得到電壓與纖維直徑存在:d=[α(V-V0)]-1/4的函數(shù)關(guān)系,即d∝V1/4。揭示出電壓越高,氣泡靜電紡纖維直徑越小。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)該規(guī)律與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好的吻合。然后,討論了接收

3、距離的改變對(duì)纖維細(xì)度的影響。發(fā)現(xiàn)接收距離增大,纖維總體細(xì)度下降,在8cm時(shí)纖維的平均直徑與最小直徑同時(shí)優(yōu)化,分別為100nm和36nm。在對(duì)氣體流量的研究中得出:流量增大,纖維的直徑先增大后減小,紡絲產(chǎn)量大有提高,但纖維形貌變差。當(dāng)流量為0.4L/min時(shí),平均直徑和最小直徑達(dá)到最小,分別為97nm和50nm。溶液性能是最能影響氣泡特性的參數(shù)集合。本文分別從溶液的粘度(濃度、分子量)、電導(dǎo)率、表面張力、溶劑等方面出發(fā),討論工藝過(guò)程與產(chǎn)品

4、結(jié)構(gòu)的變化,其中著重討論了粘度的作用。運(yùn)用標(biāo)度律法分別討論了粘度、濃度、直徑三者之間的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)PLA/DMF紡絲實(shí)驗(yàn),得到溶液粘度與濃度存在關(guān)系:η∝c3,直徑與濃度的關(guān)系為:d∝c2,于是推導(dǎo)出直徑與粘度的關(guān)系滿(mǎn)足:d∝η2/3。將粘度與纖維直徑為坐標(biāo)的函數(shù)點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合,得到函數(shù)關(guān)系:d∝η0.667,與理論推導(dǎo)結(jié)果完全吻合,由此可根據(jù)該關(guān)系對(duì)纖維產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)添加無(wú)機(jī)鹽LiCl改善PLA/DMF的導(dǎo)電性能,發(fā)現(xiàn)隨著電導(dǎo)率

5、的增大,纖維形貌得到有效改善。但由于溶解度有限,溶解過(guò)飽和后電導(dǎo)率值恒定,再增大添加量反而導(dǎo)致產(chǎn)品形貌惡化。對(duì)表面張力的研究發(fā)現(xiàn):添加非離子表面活性劑Span20的紡絲液粘度大幅降低,表面張力變化不大,導(dǎo)電率基本不變,紡絲產(chǎn)品只有微珠,無(wú)益于紡絲性能的改善。并通過(guò)將具有不同揮發(fā)性能的溶劑(二氯甲烷與N,N-二甲基甲酰胺)配比后配制紡絲液,可以制備表面多孔納米纖維。電場(chǎng)中氣泡與射流的動(dòng)力學(xué)特征是本文研究的核心內(nèi)容。使用高速攝影儀拍攝出電場(chǎng)

6、中氣泡的變形過(guò)程,計(jì)算并證明了氣泡泰勒錐的臨界半錐角為33.02°。運(yùn)用達(dá)朗貝爾原理研究了電場(chǎng)中射流的方向性運(yùn)動(dòng),闡明氣泡膜破碎邊緣形成“脖頸”形態(tài)的力學(xué)成因。根據(jù)量綱分析法并運(yùn)用Π定理,得到射流初始速度與氣泡膜厚度的關(guān)系:(V是初始速度,FE為電場(chǎng)力,h氣泡膜的厚度,ρ為溶液的密度,σ為表面張力),進(jìn)一步根據(jù)能量法推導(dǎo)出:V=λ/h(λ為常數(shù),λ=λFE1/2ρ-1/2)。說(shuō)明氣泡膜的厚度決定射流的速度,證明了氣泡靜電紡絲過(guò)程多重射流

7、的產(chǎn)生部位位于氣泡的上半部分。討論了氣泡靜電紡的產(chǎn)品成形規(guī)律:(1)當(dāng)氣泡膜的雷諾數(shù)滿(mǎn)足氣泡破碎形成子氣泡及層級(jí)射流,紡絲產(chǎn)品由一級(jí)或二級(jí)射流以及膜碎片形成。(2)氣泡膜在電場(chǎng)中撕裂出寬度為a的矩形膜:當(dāng)a→h,紡絲產(chǎn)品為球形微珠,微球直徑滿(mǎn)足d=6h;(3)當(dāng)a/h=4π,紡絲產(chǎn)品為截面圓形的柱狀纖維,纖維直徑滿(mǎn)足d=4h;(4)當(dāng)a＞＞h,形成扁平的帶狀纖維。本文將板殼振動(dòng)理論引入產(chǎn)品成形分析。將撕裂出的矩形氣泡膜視為矩形薄板,依據(jù)

8、Rayleigh (?)去計(jì)算出薄板的固有頻率為:(D為剛度)。于是,當(dāng)h/a2＜＜fn/k時(shí),外界擾動(dòng)或激勵(lì)很難使得薄板形成脈沖響應(yīng),因此得到連續(xù)帶狀纖維產(chǎn)品。當(dāng)h/a2(?)fn/k年時(shí),薄板極易產(chǎn)生自由振動(dòng),形成不連續(xù)的“椎骨”纖維。當(dāng)f外(?)fn,即驅(qū)動(dòng)力的頻率f外與薄板膜的固有頻率h/a2相等或相近時(shí),一般滿(mǎn)足0.75＜f外/fn≤1.25時(shí),薄板發(fā)生共振現(xiàn)象。系統(tǒng)此刻從外界最大限度地吸收能量,薄板無(wú)法承受而破壞形成膜碎片,

9、相應(yīng)的產(chǎn)品可能為微珠。借助流體力學(xué)軟件Fluent進(jìn)一步研究射流的動(dòng)力學(xué)行為。通過(guò)模擬出純電場(chǎng)的空間分布,有、無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)射流的運(yùn)動(dòng)特性。并通過(guò)捕捉射流跡線(xiàn)圖,以及紡絲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證實(shí)了氣泡靜電紡絲的射流也存在運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性。最后,本文對(duì)氣泡靜電紡納米纖維膜的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。利用熱塑性塑料優(yōu)越的力學(xué)性能和納米纖維膜高比表面積、高孔隙率的特性,制備不同厚度的聚醚酰亞胺納米纖維膜改善碳纖維復(fù)合材料的層間韌性。發(fā)現(xiàn)不同膜厚度增韌的雙懸臂梁(D