多级结构微纳米螺旋纤维的制备及其力学机理研究

Hierarchically structured micro/nanoscal helical fibers possess unique and excellent properties due to the introduction of helical structres into micro/nanofibers. They have found important applications in energy and environmental remediation areas, and become hot topic in biomimetic material design. The researchers have been seeking more simple methods with lower cost for producing micro/nanoscale helical fibers. In this study, based on the origin of helical structures in tendril and hair in nature, the micro/nanoscale helical fibers are designed and fabricated using co-electrospinning and bicomponent melt-blowing techniques. In order to achieve controllable preparation of the material, this study deals with the mechanical mechanism of the micro/nanoscale helcial fiber formation, using numerical simulation and experimental methods. The dynamic models for the motion of the composite jet in electric field and airflow field during the processes of co-electrospinning and bicomponent melt-blowing are developed. Based on the models, the jet paths, stretching rules and the helcial structure formation efficiency, as well as the effects of the parameters on fiber formation, are studied. The goal of the study is to set up the core technology for controllable preparation of micro/nanoscale helical fibers, and to provide important materials and methods for the applications in filtration and oil cleanup areas.

多级结构微纳米螺旋纤维由于在微纳米纤维中引入三维螺旋结构而拥有独特优异的性能，在能源和环境修复等领域有重要的应用前景，近年来成为仿生材料设计的热点之一。寻找更简单、低成本的微纳米螺旋纤维制备方法是学术界和工业界关注的焦点。本项目基于自然界中植物卷须、人与动物卷曲毛发的螺旋结构形成机制，利用具有规模生产潜力的复合静电纺丝和双组分熔喷技术，构建并制备仿生结构的微纳米螺旋纤维。为实现材料的可控制备，本项目对微纳米螺旋纤维成形的力学机理进行深入研究，以数值模拟和实验研究为主要方法，通过建立聚合物复合射流在外加物理场中运动的力学模型，模拟射流在复合静电纺丝电场和双组分熔喷气流场中的运动轨迹，预测纤维拉伸规律和螺旋结构形成效率，探索参数对微纳米螺旋纤维形成的影响，从而建立可控制备微纳米螺旋纤维材料的核心技术，为过滤、油污吸附领域的应用提供重要的材料和方法。

本项工作使用自行设计的螺旋喷嘴单孔熔喷试验机，选用PP/TPU和PP/TPEE双组分混合聚合物制备非织造布，经过调控制备出包含微米级螺旋结构纤维的熔喷非织造布。进一步的工作是对螺旋纤维形成机理的探索，从聚合物组分的分子链结构和性能差异、螺旋喷嘴形成的气流场特性、以及工艺参数进行探索，为熔喷螺旋纤维的调控制备奠定基础。探索了改善熔喷螺旋微纤维制造方法的方法。为了探索增容剂对螺旋超细纤维形成的影响，将聚丙烯（PP），聚氨酯（TPU）和接枝有马来酸酐（PP- g- MAH）的PP熔喷以制备微纤维非织造布。使用两种模具配置来研究气流对螺旋微纤维形成的影响。在静电纺丝制备复合纤维过程中，我们结合醋酸纤维素和适当的柔性聚合物组分，构建了一种新型的具有多孔芯层的三维螺旋结构的多级纳米纤维。基于此，我们研究报道了一种新颖的复合静电纺丝装置。该装置带有扁平喷丝头，用于制造螺旋纳米纤维。为了显示生产螺旋纤维的效率，使用了常用的核壳针型喷丝头进行比较。通过系统的仿真和实验研究，研究了这两种类型的喷丝头所产生的电场分布均匀性对射流运动和所产生的螺旋纤维的影响。此外，开发了一种实现该复合静电纺丝系统规模扩大的方法。为进一步探究螺旋微纳米纤维形成机理，本项目第一个通过计算双组分纤维内在的曲率来描述熔喷和电纺纤维中螺旋结构形态发展的模型。理论模型结合了双组分射流的固有曲率的物理模型，并在应用的物理场中包含了射流动力学。我们研究了由于双组分射流的不均匀拉伸而导致固有曲率的力学行为。基于该模型，我们报告了熔喷PP/TPU和电纺CA/TPU纤维的固有曲率的发展。通过该模型预测了对固有曲率的几个参数影响，这表明了螺旋微/纳米纤维的制造控制。