静电纺纳米纤维气流加捻成纱的机理与实验

【摘要】纳米效应赋予了纳米纤维比表面积高、尺径小等优异的性能，使其在过滤膜、组织功能支架等高性能材料中有潜在用途。取向纳米纤维具有优异的光学、电学性能，使其在作为锂离子电池材料、生物医学材料等方面具有潜在的应用价值。此外，纳米纤维纱线提高了纳米纤维束的力学性能，并且可以使其通过机织、针织等进行二次加工，从而更好的使纳米纤维融入到纺织品市场中，对提高纺织品的科技含量和扩大纳米纤维的应用领域具有十分重要的意义。目前，静电纺纳米纤维的成纱方法普遍存在的问题包括：（1）纳米纤维来源少，导致纱线在制备过程中很难连续稳定的集束；（2）纳米纤维强力低、表面作用力大，导致纳米纤维束加捻困难。本文借助气泡静电纺丝的原理，设计并制备了一种可提高纳米纤维产量的可自由组合的封闭式气泡静电纺丝单元。基于共轭静电纺丝集束的原理设计并制备了多喷头共轭静电纺丝集束装置，实现了纳米纤维束的连续高产量的制备。为了克服纳米纤维束强力低，表面作用力大，在加捻过程中容易与机械粘连的问题，提出了气流加捻纳米纤维束的方法，实现了连续纳米纤维纱线和纳米纤维包芯纱的制备。主要结论如下：（1）研究了纺丝单元不同正极结构和纺丝工艺参数对制备纳米纤维的影响。借助Maxwell电场模拟软件对不同正极结构纺丝单元的电场分布进行模拟，并通过实验验证得出：当纺丝单元的正极长度为喷丝管长度的1/6时，纺丝区域的电场分布最为均匀，此时制备纳米纤维直径不匀率最小，可控制在15%范围内。因此，确定该正极为纺丝单元的最优正极。不同工艺参数的静电纺丝实验发现：纺丝电压为32kV，纺丝间距为18cm，通气流量为800mL/min，溶液流量为8mL/h时制备的纳米纤维的直径不匀率最小，因此以上参数作为纺丝单元的最优纺丝工艺参数。双喷头串联静电纺丝时的电场模拟结果表明：当喷头间距为55mm时，喷头上的电场强度较强，纺丝区域的电场分布最为均匀。双喷头串联不同喷头间距时制备的纳米纤维微观形貌发现：当喷头间距为55mm时制备纳米纤维的直径不匀率最小，可控制在18%范围内。因此，将喷头间距55mm确定为双喷头串联静电纺丝装置制备纳米纤维的最优喷头间距。（2）根据共轭静电纺丝集束的原理，制备了多喷头共轭静电纺丝集束装置，实现了纳米纤维的高产量连续集束。借助电场模拟软件对纺丝区域的电场分布进行模拟。根据静电感应和共轭静电纺丝的原理，分析了多喷头共轭静电纺丝集束满足的基本条件。并进一步得出多喷头共轭纺丝集束装置的最优配置为：正极喷头与水平呈45°，负极喷头与水平呈55°，正负极喷头之间距离为19cm，喷头与纤维收集装置之间距离为4cm。研究了不同纺丝工艺参数对纳米纤维束的微观形貌和纤维集束指标的影响。研究发现：当纺丝电压为35kV时，纳米纤维的平均直径和直径不匀率达到最小值。当纺丝电压为34kV时，纳米纤维束的集束率和取向度最高，分别为77%和0.97，此时纳米纤维束的平均直径和产量达到最大值，分别为360μm和2.9g/h；当多喷头溶液总流量为28mL/h时，纳米纤维的平均直径和直径不匀率达到最小值。当多喷头溶液总流量为32mL/h时，纳米纤维束的集束率最高为82%。此时纳米纤维束的平均直径和产量达到最大值，分别为365μm和3.2g/h；当通气流量为1200mL/min时，纳米纤维的平均直径和直径不匀率达到最小值，此时纳米纤维束的集束率最高为70%，纳米纤维束的平均直径和产量达到最大值，分别为368μm和3.2g/h。当通气流量为1300mL/min时，纳米纤维束的取向度最大为0.93。（3）根据气流加捻的原理，设计了一种加捻纳米纤维束的气流加捻器（喷嘴）。通过建立气流加捻纳米纤维束的流体力学模型，利用Fluent流体力学软件对喷嘴内气流的运动进行数值模拟。分析得出喷嘴中的气流运动符合湍流的运动特性，由此得到气流加捻制备纳米纤维纱线的机理。通过研究不同喷嘴结构参数时气流的运动特性，对喷嘴结构进行优化。得出：喷嘴的喷孔倾角为45°，纱道直径为1mm时为最优结构参数。以PAN（聚丙烯腈）纳米纤维为原料，研究了不同喷嘴气压时制备纳米纤维纱线的微观形貌和力学性能。研究发现：当喷嘴气压为0.4Mpa时，喷孔出口纱道径向截面处气流的轴向速度最大，纺纱效率最高；喷孔出口纱道径向截面处气流的径向速度呈现非轴对称分布。在喷嘴气压为0.4Mpa时，气流的径向速度对纳米纤维束的加捻较为有利。随着喷嘴气压从0.2Mpa增至0.4Mpa时，纳米纤维纱线的捻回角从51.5°增大到79.9°，纳米纤维纱线的平均直径和毛羽减少。在喷嘴气压为0.4Map时，纳米纤维纱的断裂应力和断裂伸长在实验范围内达到最大值分别为94.2Mpa和101.6%。该结论与气流模拟的结果相吻合。（4）提出气流加捻纳米纤维包芯纱的方法。通过建立气流加捻纳米纤维包芯纱的流体力学模型，对喷嘴内气流的运动进行数值模拟。根据喷嘴内气流的涡流运动特性，分析了气流加捻纳米纤维包芯纱的机理。通过研究不同喷嘴结构参数时气流的运动特性，对喷嘴结构进行优化。得出：喷嘴的喷孔倾角为45°，纱道直径为2mm时为最优结构参数。以粘胶基PAN纳米纤维为原料，研究了不同喷嘴气压对纳米纤维包芯纱的微观形貌、力学性能以及纳米纤维对包芯纱的包覆质量比的影响。得出：气流加捻制备的纳米纤维包芯纱的断裂应力（大于150Mpa）提高了纳米纤维束（10Mpa）和芯纱（120Mpa）无捻度时的断裂应力之和。当喷嘴气压小于0.4Mpa时，随着喷嘴气压的增加纳米纤维包芯纱的捻回角增加，平均直径减小。当喷嘴气压为0.4Mpa时，纳米纤维对包芯纱的包覆质量比达到最大值为81.7%，此时其断裂应力和断裂伸长在实验范围内增加到最大值，分别为178.52Mpa和28.86%。该结论与气流模拟的结果相吻合。当喷嘴气压为0.5Mpa时，纳米纤维对包芯纱的包覆质量比减少到67.1%，其断裂应力和断裂伸长分别降低到162.82Mpa和24.36%。
【作者】蒲丛丛；
【导师】崔世忠；高卫东；
【作者基本信息】江南大学，纺织工程，2014，博士
【关键词】纳米纤维；气泡静电纺丝；气流加捻；纳米纤维纱/包芯纱；电场/气流场模拟；

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