纳米多孔纤维的可控制备及成型机理研究

Nanoporous fibers have been widely used in the fields of environment, energy, filtration, biomedicine, due to microsize, high specific surface area and good mechanical properties and so on. Electrospinning is a common method to produce nanoporous fibers. However, this method has various defects, such as uncontrolled morphology, low production and electrostatic may also cause fires and explosion in industrial applications. Therefore, to seek a method of controllable preparation of nanoporous fibers not only has theoretical significance, but also great applications. This project adopts a new method, bubble-spinning without static electricity to produce nanoporous fibers. It realizes spinning by using the blowing air to overcome the surface tension of a polymer bubble. This method not only can avoid potential hazards because of high voltage electrostatic, but also fabricate nanoporous fibers. This project will systematically study the formation mechanism of nanoporous fibers and the effect of processing parameters (pressure difference inside and outside the bubble, temperature, humidity and airflow speed) on spinning based on bubble statics and mechanical model of jet after the bubbles bursting. Spinning process is optimized on basis of theory and experiment. The goals are to realize controllable fabrication of nanoporous fibers and develop a new bubble-spinning device.

纳米多孔纤维具有尺寸小、比表面积高以及机械性能好等优点，被广泛应用于环境、能源、过滤、生物医学等领域。静电纺丝是生产纳米多孔纤维的一种常用方法，但该方法存在各种缺陷，如产品形貌不可控，产量低下，并且在工业化生产中，静电还可能会引起火灾或爆炸等灾害。因此寻求一种可控制备纳米多孔纤维的方法不仅具有理论意义，而且有很大的应用价值。本项目将采用一种生产纳米多孔纤维的纺丝新方法——无静电气泡纺丝法。它利用外加气场作为动力，克服聚合物溶液气泡的表面张力而实现纺丝，不仅避免了高压静电可能引起的潜在危险，而且还能可控制备纳米多孔纤维。本项目将根据气泡静力学原理以及气泡破裂后射流的演化过程，系统地研究纳米多孔纤维的成型机理和各工艺参数（如气泡内、外压差，温度，湿度和外加气场速度）对纺丝过程影响，在理论和实验的基础上优化纺丝过程，实现纳米多孔纤维的可控制备，并开发具有自主知识产权的新一代气泡纺丝装置。

纳米多孔纤维具有尺寸小、比表面积高以及机械性能好等优点，被广泛应用于环境、能源、过滤、生物医学等领域。静电纺丝是生产纳米多孔纤维的一种常用方法，但该方法存在各种缺陷，如产品形貌不可控，产量低下，并且在工业化生产中，静电还可能会引起火灾或爆炸等灾害。本项目采用一种纺丝新方法——无静电气泡纺丝法生产纳米多孔纤维，不仅具有理论意义，而且有很大的应用价值。无静电气泡纺丝法是指利用外加气场作为动力，克服聚合物溶液气泡的表面张力而实现纺丝，不仅避免了高压静电可能引起的潜在危险，而且还能可控制备纳米多孔纤维。本项目根据气泡静力学原理以及气泡破裂后射流的演化过程，系统地研究了纳米多孔纤维的成型机理和各工艺参数（如溶液浓度、气泡内、外压差，温度和相对湿度）对纺丝过程的影响，在理论和实验的基础上优化了纺丝过程，实现了纳米多孔纤维的可控制备，并开发了具有自主知识产权的新一代气泡纺丝装置。实验结果显示，溶液浓度对纳米纤维的形貌影响不大；气泡内、外压差越小，气泡的表面张力就越小，进而越容易纺丝；气流的温度保持较低并且接收距离较大时，能够获得纳米多孔纤维；在一定的参数范围内，相对湿度越大，越容易制备连通孔结构的纳米多孔纤维。而且，在实验过程中，我们还获得了高取向纳米多孔纤维，这在吸附和过滤领域将是非常有前景的。