高速离心纺丝制备纳米纤维的研究与分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：本书在传统纳米纤维制备方法的基础上提出高速离心纺丝制备纳米纤维的新思路，对高速离心纺丝的研究背景、研究现状、研究目的与意义进行了分析，对涉及高速离心纺丝纤维运动的相关影响因素进行详尽的研究，并对喷嘴内纺丝溶液的运动规律及纤维空间射流运动进行分析。从高速离心纺丝的工作原理展开分析，提出本书的研究目标、研究内容和方法。

本书在传统纳米纤维制备方法的基础上提出高速离心纺丝制备纳米纤维的新思路，对高速离心纺丝的研究背景、研究现状、研究目的与意义进行了分析，对涉及高速离心纺丝纤维运动的相关影响因素进行详尽的研究，并对喷嘴内纺丝溶液的运动规律及纤维空间射流运动进行分析。全书结合流体力学相关知识由高速离心纺丝原理入手，研究不同转速下喷嘴内纺丝溶液的运动规律以及纤维空间射流运动的规律；分析喷嘴纺丝溶液黏滞性与表面张力对纺丝溶液流动的影响，探究喷嘴处纺丝溶液锥体的形成原理；建立喷嘴处纺丝溶液射流运动数学模型并对喷嘴纺丝溶液流动状态进行模拟仿真，分析纺丝溶液的运动规律；通过高速离心纺丝实验，探究纳米纤维直径的分布规律。这为高速离心纺丝制备纳米纤维以及纺丝设备的优化奠定基础，对新型纳米纤维制备方法的研究有一定的贡献。

（1）概述纳米纤维、纳米材料的应用基础，分析相对传统的纳米纤维的制备方法，在此基础上总结高速离心纺丝法的国内外研究现状和应用成果。从高速离心纺丝的工作原理展开分析，提出本书的研究目标、研究内容和方法。

（2）研究高速离心纺丝原理和高速离心纺丝装置组成，分析高速离心纺丝制备纳米纤维的机理，并初步研究分析在离心纺丝过程中对纳米纤维制备产生影响的因素，如纺丝溶液浓度、喷嘴长度、喷嘴直径、电动机转速、收集距离等。

（3）研究喷嘴内纺丝溶液的运动状态。分析纺丝溶液运动的四个阶段，即静止阶段、层流阶段、湍流阶段、射流阶段的不同运动状态。对喷嘴内纺丝溶液的运动规律与受力进行分析，通过建立动坐标系下喷嘴纺丝溶液运动模型，探究纺丝溶液在相对静止以及相对流动状态下的绝对运动轨迹与加速度分布规律，建立喷嘴纺丝溶液的雷诺数与溶液参数间的关系，探究纺丝溶液由层流转变为湍流时的临界转速。以纺丝溶液锥体的形成原理为理论基础，建立纺丝溶液锥体受力平衡方程，分析喷嘴参数和溶液参数对形成纺丝溶液锥体所需的临界转速的影响。

（4）设计4种不同的离心纺丝喷嘴结构。以流体力学相关知识为理论基础，建立直角坐标系下离心纺丝喷嘴内二维流场，研究纺丝喷嘴内流场优化理论。通过数值模拟和正交试验相结合的方法，以纺丝溶液出口速度为试验指标，对高速离心纺丝喷嘴结构进行优化分析，得出最佳的离心纺丝喷嘴结构。

（5）分析高速离心纺丝过程中纺丝溶液的射流运动阶段以及射流运动原理。研究离心纺丝的射流机制，分析黏性纺丝溶液在运动中所受的表面张力、离心力以及科氏力对射流运动的影响。通过建立动坐标系下的溶液射流理论模型，研究纺丝溶液射流的受力与运动规律。综合分析曲线坐标系下的射流纤维受力情况，建立高速离心纺丝射流运动方程。

（6）以聚氧化乙烯溶液为纺丝原料，探究溶液流变参数与黏滞性随溶液浓度的变化规律，为高速离心纺丝溶液运动分析提供参数依据。利用流体仿真软件对喷嘴纺丝溶液流动模型进行流动仿真。分析仿真结果，建立电动机转速、喷嘴长度、纺丝溶液浓度等工艺参数与纺丝溶液湍流动能间的关系。随后，对高速离心纺丝溶液射流运动进行离散相模型研究。仿真模拟不同纺丝转速和不同溶液浓度下的射流运动轨迹、射流速度，分析电动机转速和射流轨迹、射流速度之间的关系以及溶液浓度对射流轨迹和速度的影响。

（7）进行高速离心纺丝实验，对离心纺丝过程中影响纺丝溶液射流运动以及影响纤维形貌、纤维直径的主要因素进行分析。在不同的转速、不同的溶液浓度、不同收集距离下制备聚氧化乙烯纳米纤维，利用扫描电镜观察纳米纤维形态分布，分析实验结果，探究工艺参数对纳米纤维形态分布的影响，将实验结果与理论分析相互对比验证。

通过喷嘴纺丝溶液流动理论分析与模拟仿真，以及分析高速离心纺丝实验结果，得出以下几点结论：

（1）喷嘴内纺丝溶液的流动状态随电动机转速的增加从层流逐渐转变为湍流，以6%聚氧化乙烯溶液参数为例时，溶液流态由层流转变为湍流的临界流速为0.14

m/s。

（2）电动机加速转动过程中喷嘴内纺丝溶液将受到科氏加速度的影响，此时溶液的流速核心区将沿科氏加速度方向发生偏移；喷嘴处形成纺丝溶液锥体的临界转速与喷嘴直径成反比，与溶液浓度成正比。

（3）溶液的湍流动能主要集中在喷嘴入口处，喷嘴入口处溶液流动范围的突然减小是引起溶液流动紊乱的主要原因，喷嘴内纺丝溶液的流速主要集中在喷嘴轴线处。

（4）射流运动过程中溶液所受到的重力可以忽略，在重力影响下射流运动的下坠距离较小。

（5）纺丝溶液射流运动轨迹朝电动机转动的反方向弯曲呈螺旋线状，射流的出口角度与电动机的转速成正比，电动机的转速与射流运动角度成反比。纺丝溶液的射流出口速度随着电动机转速的增大而增大，射流速度在射流过程中逐渐衰减，喷嘴处射流速度最大，越远离喷嘴速度越小。

（6）聚氧化乙烯纺丝溶液的黏度随溶液浓度的增加而增加，随剪切速率的增加而减小，当溶液的剪切速率达到1001/m时，不同浓度聚氧化乙烯溶液的黏度趋向于一致。

（7）聚氧化乙烯纺丝溶液的黏度随溶液浓度的增加而增加，随剪切速率的增加而减小。纺丝溶液浓度与射流速度成反比，溶液浓度越大射流速度越小，溶液浓度越大射流速度衰减得越快。

（8）阶梯形喷嘴最优结构参数为20 mm的喷嘴总长度、8 mm的入口段长度、14 mm的入口直径、0.6 mm的出口直径；锥直形喷嘴最优结构参数为20 mm的喷嘴总长度、8 mm的入口段长度、14 mm的入口直径、0.6 mm的出口直径；锥形喷嘴最优结构参数为20 mm的喷嘴总长度、14 mm的喷嘴入口直径、0.6 mm的喷嘴出口直径；弯管形喷嘴最优结构参数为20 mm的喷嘴总长度、10 mm的入口段长度、16 mm的入口直径、0.6 mm的出口直径、7 mm的弯管曲率半径和45°的弯管圆心角。

（9）锥直形喷嘴和弯管形喷嘴制备的纤维在形态质量和直径分布方面比阶梯形喷嘴和锥形喷嘴表现更好。离心纺丝喷嘴纳米纤维生产效率从大到小的排列顺序为锥直形喷嘴、弯管形喷嘴、锥形喷嘴、阶梯形喷嘴。

（10）聚氧化乙烯纳米纤维的直径分布主要受溶液浓度与电动机转速的影响，喷嘴直径与喷嘴长度对纤维形态分布的影响次之，收集距离只需满足纺丝射流凝固即可，实验中最佳的实验收集距离在35～40 cm。浓度为6%的聚氧化乙烯在4000 r/min转速下时所制备的纳米纤维形态分布最均匀，平均直径为530 nm。

高速离心纺丝制备纳米纤维的研究与分析

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