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静电纺丝技术是一种简单的制备高分子一维纳米纤维的技术,可用于加工选材的高分子材料十分广泛,是近年来纳米科技领域中的一个研究热点。但静电纺丝由于制备出的纳米纤维受取向态、强度、产量等因素的限制,制约了电纺丝纳米在现代生活中的应用。
本工作以突破静电纺丝的应用瓶颈为突破口,对有序化纳米纤维的收集技术及其理论、纳米纤维纱线的制备以及提高纳米纤维产率的方法进行了研究,取得了一些有意义的结果:
1)静电纺丝的有序化控制与理论分析
通过使用具有不同介电常数的收集板改变静电纺丝工作空间的电场分布,引导纳米纤维的沉积过程,可以得到不同有序度的悬空纳米纤维薄膜。我们使用有限元分析软件对加入不同介电常数收集板后的电场进行了模拟,并给出了相应的理论分析。这将为有序化纳米纤维收集装置的设计提供理论依据。
微米尺度的纤维是现代化纺织业的基础,将纳米纤维加工成微米尺度的纱线是拓展其应用的一个途径。我们使用实验室已有的静电纺丝收集技术,在制备纳米纤维的同时将其扭转成一定长度的纱线。通过控制不同的工艺参数,研究并分析了影响纳米纤维纱线力学性能的因素。
纳米纤维纱线的连续化生产是突破其在纺织品领域应用的瓶颈,为此我们通过对静电纺丝电场的研究与模拟,设计出能将纳米纤维在收集的同时可以连续加工成短纤纱的装置。通过这种方法制备出的短纤纱长度可控,结构有序,并可以通过控制短纤纱的加捻程度来调节其力学性能。
2)提高静电纺丝技术制备高分子纳米纤维产率的研究
目前传统静电纺丝技术采用单个注射器针头作为喷头,生产效率很低。为了满足工业化产品对纳米纤维产量的要求,我们搭建了无喷头静电纺丝设备,并对其进行了研究。然而无喷头静电纺丝技术使用的加工电压往往超过5万伏,实验操作具有一定危险性。基于高压电场下带电液体动力学原理,我们提出一种提高单喷头静电纺丝产率的技术。这种方法相比传统静电纺丝技术生产纳米纤维的速率提高了20~30倍,相比无喷头静电纺丝技术降低了近一半的加工电压,简化操作并降低了危险。