多场耦合作用下亚微米纤维制备机理研究

Because of their excellent properties, products of submicron fibers have been used for the tissue generation support, hydrogen storage material of high power capacity, microsensor, biochemical protective clothes, damping material, filtering materials for SARS and anthrax, etc. Centrifugal spinning is a new processing technique of submicron fibers where the inertia forces are the main impetus for the polymer drawing. In this study, high speed hot air will be introduced into the centrifugal spinnng. The polymer is expected to be further drawn by the coupling effects of force field, flow field and temperature field to produce finer submicron fibers. However, the polymer drawing mechanism based on the multi-field coupling in this process needs to be studied in depth. In this study, the polymer drawing model by the inertia forces and high speed air will be studied and the final fiber diameter will be predicted. The research work includes modeling and numerical computation of the air flow field and the polymer drawingng, experimental verifications of the polymer drawing and final fiber diameter by using the high speed photography and image analysis method, and computer simulations of the effects of key processing parameters and equipment parameters on the polymer drawing and fiber diameter. The research findings will provide theoretical basis for the development and maturation of this new processing technique of submicron fibers.

亚微米纤维制品由于其性能优异，已成功用于组织再生支架、高容量储氢材料、微传感器、生化防护服、吸音材料、可滤除SARS病毒和炭疽热等病菌的过滤材料等领域。离心纺丝是一种新型的亚微米纤维制备技术，惯性力是该技术中聚合物拉伸的主要动力。本研究拟将高速高温气流引入该技术，使聚合物在力场、流场、温度场耦合作用下拉伸变细，以制备出更细的亚微米纤维。但该技术中多场耦合作用下的聚合物拉伸机理这一关键科学问题尚需深入研究。本项目将对惯性力和高速高温气流作用下的聚合物拉伸模型进行研究，对最终纤维直径等进行预测。主要研究内容包括对气体流场进行建模和数值计算，对聚合物拉伸进行建模和数值计算；应用高速摄像仪和图像分析方法对聚合物拉伸过程及纤维直径的计算结果进行实验验证；还将就关键工艺参数和设备参数对聚合物拉伸过程和纤维直径的影响进行计算机模拟。研究成果可为这种新型亚微米纤维制备技术的发展与成熟提供理论基础。

亚微米纤维制品由于其性能优异，已成功用于组织再生支架、高容量储氢材料、微传感器、生化防护服、吸音材料、可滤除SARS病毒和炭疽热等病菌的过滤材料等领域。离心纺丝是一种新型的亚微米纤维制备技术，惯性力是该技术中聚合物拉伸的主要动力。本研究将高速高温气流引入该技术，使聚合物丝条在力场、流场、温度场耦合作用下拉伸变细，以制备出更细的亚微米纤维。但该技术中多场耦合作用下的聚合物拉伸机理这一关键科学问题尚需深入研究。. 本项目是对惯性力和高速气流作用下的聚合物拉伸模型进行研究，对最终纤维直径等进行预测。主要研究内容包括：(1) 对气体流场进行建模和数值计算。 (2) 对聚合物拉伸进行理论建模和数值计算，就主要工艺参数和设备参数对聚合物拉伸过程的影响进行计算机模拟。 (3) 应用高速摄像仪和热线风速仪等对数值计算结果进行实验验证。. 研究结果表明，所建模型能较好地预测气流辅助离心纺丝气体流场及纤维直径和丝条运动轨迹。引入气流所得到的纤维直径远小于未引入气流的纤维直径。因此，在离心纺丝中引入高速气流有助于聚合物丝条拉伸变细。引入气流的丝条运动轨迹与未引入气流的丝条运动轨迹有较大差异。气体初始速度和聚合物流量等参数对纤维直径有较大影响：气体初始速度增大，则拉伸力增大，故纤维直径减小。聚合物流量增大，聚合物丝条受到的惯性力作用也增大，故纤维直径减小。. 研究成果为深刻理解气流辅助离心纺丝加工过程，提高相关领域学科水平做出了贡献，也为这种新型亚微米纤维制备技术的发展与成熟提供理论基础。