离心熔体静电纺丝的实验和模拟探索

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随着纳米纤维的应用涉及各种重要行业,世界范围对纳米纤维的需求量和需求标准在同时增大和增高,因此现在对纳米纤维制备的设备要求和工艺水准也变得更高。在近十年的快速发展中,离心静电纺丝技术因其结合了离心纺丝和静电纺丝两种传统纺丝方法的优点而备受关注,但同时其也融合了两种装置,所以其整体装置变得更加复杂。因此离心静电纺丝设备的制造,使用,及其纺丝工艺的探索对于纳米纤维行业的发展带来的既是机遇也是挑战。离心静电纺丝可采用不同状态的纺丝原材料,采用熔体作为原材料的为离心熔体静电纺丝,采用溶液作为原材料的为离心溶液静电纺丝。到目前为止,离心溶液静电纺丝生产的纤维无法完全避免有毒溶剂的副作用,而离心熔体静电纺丝方法几乎没有被科研人员详尽研究过。因为传统的熔体纺丝方法制备高性能纤维时就存在很多困难,包括不同温度和不同加热时间对不同材料的影响机理不明确,设备温度难以精确掌控,电磁对熔体材料的影响机理不明确。熔体静电纺丝制备的纤维存在直径较粗,纤维无序,效率低等缺点。离心熔体纺丝制备的纤维整体性能不统一,达不到较高的应用标准。这些缺点都影响了该纺丝方法的工业化进展。针对现有纺丝方法存在的缺点和弊端,迎合纳米纤维的发展趋势,本论文有针对性的展开了对离心熔体静电纺丝的实验和模拟探索。以下是主要研究内容:首先,采用本实验室自主设计和制造的离心熔体静电纺丝装置,探索这套装置能否顺利采用工业上常用的左旋聚乳酸材料进行纳米纤维的制备。通过表征制备的纳米纤维,分析总结本装置对左旋聚乳酸纳米纤维详尽工艺参数的影响规律。结果表明本装置能顺利并且高效的制备出无溶剂的左旋聚乳酸的微纳米级纤维膜,效率可达到22 g/min。通过总结电压,转速,温度等工艺条件对纤维直径、产率、结晶度等性能的影响规律,得出最佳工艺条件为:电压35kV,转速1260rpm,温度235 ℃,收集距离8 cm。其次,采用离心熔体静电纺丝技术制备可达医学应用的有序的左旋聚乳酸纳米纤维膜,对纤维膜的有序度进行了表征和分析,总结了不同纺丝工艺条件对纤维有序度的作用规律。然后对本方法制备出的有序和无序的纤维膜作为生物支架进行生物医学应用的探索,进行了包括细胞的成活率,增殖,分化等实验。最终顺利制备出高度有序的以及无序的左旋聚乳酸微纳米纤维膜,将不同工艺参数对纤维有序度的作用规律进行了总结。医学生物实验结果表明了这种无溶剂的左旋聚乳酸纤维膜支架具有无毒性,细胞成活率超过95%,有序的纤维膜作为生物支架效果更好。所以这种方法制备的无溶剂左旋聚乳酸纤维膜能够模仿固有肌腱组织架构的形式,将来在医学应用方面有着巨大潜力。最后,为改善上述左旋聚乳酸纤维膜的机械性能,本论文探索了离心熔体静电纺丝技术制备含左旋聚乳酸和聚环氧乙烷的复合纤维膜,并通过一系列的表征及力学性能测试,再通过与纯左旋聚乳酸的纤维性能进行对比,发现复合纤维膜结晶度和纤维直径都明显得到改善。复合纤维膜的平均直径最细达到1.85 um。且随着复合纤维膜中PEO含量从10%增加到30%,复合纤维膜的结晶度明显提升。经过热压后处理,复合纤维膜的强度也得到提高,但是韧性方面还有待改善。通过进一步实验的结果,验证了本纺丝方法所得纤维膜能达到工业化应用的要求。尽管本装置高效的制备出了有序的无溶剂微纳米纤维膜,但在此过程中也遇到了许多困难和问题,尤其是装置组合的复杂性以及装置中各种零部件的精确度都对纺丝实验有一定的影响。为不断改进装置中的缺点,更快更高效的获得装置设计对纺丝纤维的影响规律。本论文用有限元软件对本装置中受热的关键部件,即旋转圆筒的温度场进行了模拟。根据模拟情况和前期的实验情况尝试设计了新一代的离心熔体静电纺丝设备,并撰写了一篇相关设备的专利。新设备中的旋转圆筒的有限元的温度场模拟结果和理论分析表明,新设备新结构形式具有测温更加精准,温度分布更加均匀的优点,有利于解决熔体纺丝中关键的温度控制问题。
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