高速离心力场作用下射流与纳米纤维运动及纳米成纱机理研究

It is difficult to be solved for production of the low productivity, single spun material and polluted polymer solution on the traditional nanofiber fabrication method about electrospinning with high electrostatic field. This project proposes the facile nanofiber fabrication with viscoelasticity and surface tension of polymer solution jet on high speed centrifugal force field, and studies furtherly dynamics thesis about jet, fiber and spinning mechanism and aligned nanaofiber collecting theory, and explores nano-spinning principle. The math model of nanofiber fabrication is established based on high speed centrifugal force field between diameter and morphology of nanofiber and processing parameter such as parameter of solution, geometry craft parameter of rotor, rotate speed and temperature field distributing and so on through methods of experimental test, theoretical analysis, numerical simulation and mechanism optimization. This will reveal the variant law of the movement and dynamic tension of jet, nanofiber and nano-yarn when fabrication of nanofiber and illustrate the principle of aligned nanofiber assembly and nano-spinning. These research works will lay a foundation for overcoming the defects of the traditional nanofiber fabrication, enhancing the quality and yield of nanofiber, fabricating nanofiber on high speed centrifugal force field and optimizing nano-spinning mechanism dynamics.

针对传统静电纺丝高压电场下制备纳米纤维的生产效率低、制备材料单一性和聚合物溶液污染等难题，项目提出高速离心力场作用下利用聚合物溶液射流的表面张力、黏弹力制备纳米纤维方法，深入研究射流、纤维、纺丝机构有关动力学问题和纳米有序收集机理，探索纳米成纱原理。通过试验测试、理论分析、数值模拟和机构优化等方法，建立高速离心力场作用下制备纳米纤维过程中溶液参数、转子结构参数、转速与温度场分布等工艺参数对纤维直径和形貌影响的数学模型；揭示纳米纤维制备时射流、纳米纤维、纳米纱线的运动和动态张力变化规律；阐明纳米纤维有序收集机理和纳米成纱规律，为克服传统纳米纤维制备方法的缺陷、提升纳米纤维质量和产量及高速离心力场作用下制备纳米纤维、纳米成纱机构动力学优化设计奠定基础。

本项目克服了传统的统纺丝技术制备纳米纤维存在难题，在对国内外研究状况进行综合论述与分析基础上，开展了面向高速离心力场作用下纳米纤维制备、有序收集及其设备研制及其优化研究，取得以下成果：.①建立了纳米纤维机构的离心转子几何特征参数、转速等工艺参数与纳米纤维直径之间的模型。研究了聚合物溶液射流表面张力、黏弹力与高速离心力场相互作用形成泰勒锥的条件；研究溶剂的挥发性对纤维形貌的一致性和稳定性影响。.②分析了纳米纤维制备过程中射流与纤维运动以及动态张力的变化规律。在高速离心力场作用下,喷嘴喷出的射流受到重力、空气阻力和离心力等作用，从而研究了射流与形成的纳米纤维的空间轨迹的变化规律。根据喷嘴喷出的射流受到重力、空气阻力和离心力等输入变量作用下形成的纳米纤维的动态张力及其变化规律，建立这些变化规律的数学模型及其数值求解方法。.③优化了纳米纤维有序收集与离心纺丝机构。研究了纳米纤维有序收集形成纳米纱线的方法，包括纳米纤维与收集机构的相互作用原理、纳米纤维收集机构设计原理、纳米纱线运动轨迹分析等。研究高速离心纺丝机构动力学性能、纳米纤维设备研制；建立了相应的数学模型，并通过正交试验、遗传算法和灰狼算法等设计方法优化纳米纱线成型的机构参数、工艺参数。.④搭建了实验机构，并用PEO、Nylon6等材料进行纳米纤维制备实验。进行纳米纤维制备和纱线成型卷绕的实验研究，包括实验方案设计、实验装置制造、实验参数确定等。通过实验测试纳米纤维直径、形貌、纳米纱线成型质量等与设备机构特征结构参数、工艺参数之间关系。一方面验证和完善理论研究结果，一方面为项目理论研究结果的应用提供技术支撑。.本项目所提出的纳米纤维机构设备研制及其研究方法达到了预期目标，获得了满意的结果。其成果可为纳米纤维机构设计和优化提供有效的理论指导和方法工具，又有广泛的应用前景和实际指导作用。