基于多物理场耦合的纳米纤维成型机理研究

The controllable preparation of nanofiber is one of the most important research area in nanometer material research field. Although electrospinning is a robust manufacturing route for the nanofiber production, several challenges remain in terms of understanding and controlling the fiber diameter and resultant morphology features that must be overcome to meet the ever evolving new technological requirements. In the electrospinning process, the fiber diameter and morphology are affected by several factors, such as the jet motion, polymer properties, electric field distribution, the ambient temperature and relative humidity. The forming process of nanofiber is quite complex, several physical fields should be considered to understand the fiber diameter and morphology control mechanism. In this work, a multiscale “flow field-electric field-thermal force field”coupling method is used for the studying of the nanofiber forming mechanism simulation, jet motion and fiber solidification theory. High-speed photography is adopted to capture the jet path during the spinning process, the captured jet motion is compared with the multiphysics simulation model. Systematic study on the influence of polymer properties and process conditions on the fiber morphology and diameter will be done to optimize the multiphysics models. The electrospinning setup for nanofiber controllable preparation is designed to control the quality and morphology of the electrospun nanofiber. Sophisticated electrospinning theory is established by the coupled multiphysics model and simulation, which will lay the foundation for the controllable preparation and application of electrospun nanofibers.

纳米纤维可控制备是纳米材料研究的一个重要方向, 静电纺丝是最常用的一种纳米纤维制备手段之一。在静电牵伸射流成型过程中，纳米纤维的细度和外观形貌特征受射流的运动轨迹、聚合微物流体性质、电场分布和纺丝温湿度等因素的影响。纳米纤维的成型过程复杂，涉及多种物理场的共同作用，其机理和结构调控机制尚缺乏系统的研究。本项目拟采用多尺度“流场-电场-热力场”耦合的方法建立纳米纤维成型的仿真模型，在多物理场耦合模型的基础上探索射流运动以及纤维固化成型机理；通过高速摄像记录并分析射流的运动轨迹，与纤维成型的仿真模型对比分析，系统研究聚合物溶液性质及工艺条件对纳米纤维细度和外观形貌的影响机制，优化和完善多物理场模型。在此基础上，设计和开发可用于纳米纤维可控制备的静电纺丝装置，实现纳米纤维质量和外观形貌的可控制备，通过多物理场耦合建模与仿真模拟完善静电纺丝的理论，为精细制备纳米纤维奠定理论与应用研究基础。

纳米纤维可控制备是当前纳米材料研究重点之一，静电纺丝技术是最常用的纳米纤维制备手段。在静电方式过程中，纳米纤维的细度和外观形貌特征受射流的运动轨迹、聚合微物流体性质、电场分布和纺丝温湿度等因素的影响。纳米纤维的成型过程复杂，涉及多种物理场的共同作用，其机理和结构调控机制尚缺乏系统的研究。.本项目提出一种综合多物理场叠加耦合作用的新型静电纺丝成纤过程模型，在传统的电场驱动聚合物流动成型的基础上，将热力场、流场纳入到纤维成型过程中，建立多物理场耦合作用的力学模型，模拟成纤过程的静电纺丝成纤机理，研究构建多物理场耦合模型的系列参数对纤维成型的影响，以实现对纳米级纤维的可控制备和形貌优化。通过设计不同的静电纺丝条件（包括溶液聚合物性能、电场分布、喷嘴结构及温湿度）研究纺丝条件对纺丝微射流运动轨迹和纳米纤维质量的影响；基于实验结果设计开发纳米纤维结构可控的静电纺丝设备，用于不同结构纳米纤维的制备；以及基于设备所制备的纳米纤维膜的应用研究。.本项目从多物理场角度分析纳米纤维成纤机理，尤其是聚合物射流在高压电场中的运动规律和纳米纤维的固化成型机理，揭示了静电纺纳米纤维成型过程的结构变化及力学机理，提出了纳米纤维成纤质量和形貌结构的调控机制，解决了当前微纳米纤维可控制备与精细加工中的关键基础问题。本研究项目提出的多耦合纤维成型机理，具有普适性，可以应用于各种静电纺丝微纳米纤维制备与成型预测。基于本项目制备的多孔纳米纤维可应用过空气过滤产品，其过滤效果可达99%以上。在静电纺丝精细化制备的工艺参数调控的基础上，设计和开发可用于纳米纤维可控制备的静电纺丝装置已实现产业化，已应用于兄弟高校单位。