基于气流场和电场的纳米纤维无纺布制备技术的力学机理研究

Nanofibrous nonwovens find a variety of applications in areas of filtration media, life science, medical, and industrial applications. Melt blowing and electrospinning are two major processes for producing nanofibrous nonwovens. Studies aimed at producing meltblown nanofibers and mass production of nanofibers by electrospinning are of great interest for the researchers. During melt blowing and electrospinning,the polymer jets are drawn in the external fields. Therefore, the study on the manufacturing technology of nanofibrous nonwovens relys on the understanding of the mechanical mechanism of the spinning processes. This study focuses on producing meltblown nanofibers and mass production of electrospun fibers. By modeling the fiber motions in melt-blowing airflow fields and electric fields of electrospinning, suitable airflow field and electric field are designed to control the fiber motions, and consequently the effects of airflow field characteristics and the electric field distributions on the fiber diameter and the web morphology are investigated. With the object of producing nanofibrous nonwovens with smaller fiber diameters, the apparatus for manufacturing nanofibrous nonwovens are improved. The improvements include the design of the die structuring of the melt blowing apparatus, and the design of the multi-jet electrospinning apparatus which will enhance productivity. This study will establish the key technology for manufacturing nanofibrous nonwovens.

纳米纤维无纺布在医药和生命科学、过滤材料等方面有着重要的应用前景。熔喷和静电纺丝是生产纳米纤维无纺布最重要的方法。纳米纤维无纺布制备技术有两个研究方向：熔喷纤维纳米化和静电纺丝的规模生产。熔喷的气流场和静电纺丝的电场都是作用于聚合物射流的外场，纤维形成过程依赖于外部场力的拉伸作用，因此纳米纤维无纺布制备技术的研究有赖于对纺丝拉伸成型力学机理的掌握。本项目关注纳米纤维无纺布制备技术的两个方向，从模拟纤维在不同熔喷气流场和多针头静电纺丝电场中的运动入手，通过设计气流场和电场来控制纤维运动并预测纤维细度，从而研究熔喷气流场特性和多针头静电纺丝电场分布对纤维细度、纤维网形态的影响，以获得纤维更细的纳米纤维无纺布为主要目标，来改良制备纳米纤维无纺布的装置，包括熔喷装置关键部件的设计，以及设计可提高静电纺丝生产率的多喷头静电纺丝装置，建立纳米纤维无纺布生产过程中的自主核心技术。

本课题建立了纤维运动——熔喷气流场获静电纺丝电场——熔喷或静电纺丝装置的研究路线，采用实验和数值模拟的方法，从研究纤维在不同熔喷气流场和多针头静电纺丝电场中的运动入手，通过设计气流场和电场来控制纤维运动并预测纤维细度，从而研究熔喷气流场特性和多针头静电纺丝电场分布对纤维细度、纤维网形态的影响，以获得纤维更细的纳米纤维无纺布为主要目标，来改良制备纳米纤维无纺布的装置。. 课题在以下三个方面的研究内容完成了一系列研究结果：（1）熔喷气流场及纤维运动方面，采用实验测量的方法对熔喷气流场的湍流特性进行研究，初步探讨湍流特性对熔喷纤维运动的影响。采用数值模拟和高速摄像的方法，探索了不同结构的熔喷模头对纤维运动和纤维拉伸的影响，在此基础上对熔喷的关键部件（模头）进行设计。（2）在多射流静电纺丝电场及纤维运动方面，首先根据静电纺丝电场分布和纤维运动特征设计了一种以孔代替传统针头的平面喷嘴，在此基础上设计出规模化生产的平面多射流静电纺丝装置，并系统地分析了多射流静电纺丝过程中电场分布对射流动力学行为的影响。（3）在复合静电纺丝方面，设计出一种批量生产复合纳米纤维的喷嘴，并利用复合静电纺丝制备出特殊结构的纳米纤维。. 以上的工作从物理场和物理场中纤维运动两方面对纳米纤维无纺布制备技术的力学机理进行深入研究，以获得纳米纤维无法布生产过程中的自主核心技术。