聚合物熔体二次分割静电纺丝方法及机理

Melt electrospinning is an effective and environment-friendly method for continuous nanofiber production. The applicant's previous work has proposed and realized a melt differential electrospinning method, by which the mass preparation and fiber diameter of 300-700 nanometer have been obtained. However, this method and other current processes cannot produce fibers with a mean diameter smaller than 100nm. Therefore, a electrospinning method based on melt twice dividing was proposed, in which, the formation process of bi-component melt lamination with thousands of layers can be seen as first dividing process, and the formation of multi-jets from the thin nano lamination melt in the high loading static electric field can be seen as second dividing process. In this project the character of the target nano layer distribution will be researched by fluid analysis and experiments at the first step. Then the formation, deformation, and bi-component re-distribution of Taylor cone will be analyzed based on the use of electro-hydro dynamics, molecular simulation and on-line high-speed photography, and the mathematical formulas of the critical Taylor cone angle, critical voltage, and inter-jet distance will also be conducted. Finally, the effect of splitting parameters on the fiber will be evaluated. This project mainly focus on the re-distribution process and interface properties during the transformation from bi-component melt nano lamination to multiple Taylor cones in order to discover the mechanism of this twice dividing electrospinning method. The project may break the bottleneck of polymer melt electrospinning process for production of nanofiber with diameter smaller than 100nm.

聚合物熔体静电纺丝技术是连续纳米纤维绿色制造的有效途径，申请人前期提出熔体微分静电纺丝原理及方法并实现了300-700nm超细纤维的批量制备，但现有方法均无法实现真正纳米纤维（平均直径＜100nm）的制备。因此本项目提出基于聚合物熔体二次分割的静电纺丝法，其中上千层双组分纳米层叠流的形成为熔体一次分割过程，层叠流体在高压静电场作用下形成多射流为二次分割过程。首先通过流体分析和实验研究纳米叠层分布特点；接着基于介电流体动力学分析、分子模拟和高速摄像研究双组份熔体变形、泰勒锥成形、形变及分布规律的动态过程，获得临界泰勒锥角、临界电压及射流间距的决定方程；最后考察开纤工艺对成纤性能的影响。本项目将重点分析纳米层叠熔体向泰勒锥自组织过程中纳米薄层流体的变形过程和界面特性，从而深入揭示熔体二次分割静电纺丝机理。本项目有望为突破聚合物熔体静电纺丝100nm纤维制备瓶颈提供理论和方法基础。

聚合物熔体静电纺丝技术是连续纳米纤维绿色制造的有效途径，申请人前期提出熔体微分静电纺丝原理及方法并实现了300~700nm超细纤维的批量制备，但现有方法均很难实现真正纳米纤维（平均直径＜100nm）的制备。因此提出基于聚合物熔体二次分割的静电纺丝法，其中上千层双组分纳米层叠流的形成为熔体一次分割过程，层叠流体在高压静电场作用下形成多射流为二次分割过程。.在国家自然科学基金项目的资助下，本项目进行了聚合物分子动力学模拟，并分别开展了熔体微纳层叠一次分割和熔体微分电纺二次分割实验研究及纤维的应用拓展。具体研究工作包括（1）采用分子动力学模拟分析了双组份材料一次分割即层叠过程的分子动力学过程，发现分子链在界面处有少量互相渗透。（2）设计、加工和搭建了双组份二次分割线性狭缝熔体微分静电纺丝设备，阐述了纺丝机理，制备了双组份熔体微分静电纺丝月牙状的聚丙烯纳米纤维，探索了双组份之间不同黏度的纺丝原料，对月牙状聚丙烯异形纤维产生的影响；为了增强纺丝效果，探索了双组分间不同物料的熔体流动速率以及纺丝温度等工艺参数对月牙状异形纤维形貌的影响；另外，气流辅助相关的装置，对电纺丝纤维进一步细化，结果表明辅助气流对于纤维的细化效果明显。（3）研究了线性狭缝喷头的二次分割射流特性，以及相关的工艺研究与工艺优化，包括狭缝宽度、最大电场强度、给料速率和纺丝温度等因素；对于二次分割线性狭缝熔体微分静电纺丝进行了电场模拟分析与优化，为进一步提高纺丝效率以及产量提供了相关的模拟基础和理论分析基础。（4）最后将制备的静电纺丝纤维在工业粉尘过滤领域进行了开发应用，根据工业领域，尤其是矿井下高浓度粉尘过滤需求，设计了多级过滤组件，并加工出了相关的试验装置，测试了过滤组件动态加载阻力性能，为该二次分割线性狭缝熔体微分静电纺丝技术的应用开辟了新方向。.综上，本项目证明了二次分割的可行性和该技术制备异形超细纳米纤维的巨大潜力。