高压电场下聚合物液体射流微观结构演变规律的同步辐射SAXS原位研究

The microstructure evolution of polymer liquid jet triggered by a high voltage electric field involves the formation process and mechanism of electrospun fibers as well as the regulatory mechanism of fiber subtle structures, etc. Presently, the seriously insufficient work on above questions has hindered the further development of electrospinning technique. Therefore, we will implement the in-situ investigation on the microstructure evolution of polymer liquid jet triggered by a high voltage electric field via the synchrotron SAXS in this project. In this work, we will clarify the influence of solution properties and processing parameters on the jet trajectory, establish simulation model of the jet trajectory under different conditions, grasp the trajectory regulation and control method of the polymer liquid jet; we will also realize the in-situ observations on the polymer jet along the electric field gradient direction on different locations via SAXS, knowing the microstructure evolution process of the liquid jet, and the relationship between the microstructure evolution and jet trajectory. Based upon the above work, we establish the three-angle phase diagrams of the polymer solutions in liquid jet with a complex motion process, simulate the microstructure phase of the motorial jet under different electric field gradient, illuminate the microstructure evolution mechanism of polymer in the process of fiber formation, establishing and improving the controllable fabrication rules of micro- and/or nanofiber as well as the regulation mechanisms of their fine structures, laying the theoretical foundation on electrospinning technique, which has important theoretical significance and practical value.

高压电场作用下聚合物液体射流微观结构演变规律涉及到静电纺纤维的成型过程、机理、精细结构调节机制等问题。当前针对这一问题的研究还存在较大不足，限制了该技术的进一步发展。本项目拟利用同步辐射光源SAXS线站原位研究电纺过程中聚合物液体射流微观结构演变规律，阐明溶液性质与加工参数对射流的运动轨迹的影响规律，建立不同参数条件下射流运行轨迹的数字模拟模型，掌握聚合物射流介稳体系运动轨迹的调控方法；实现聚合物射流沿电场梯度方向上不同位置的SAXS原位观测，明确射流运动过程中其内部微观结构演变的规律，明晰聚合物微纳米纤维成型过程中微观结构演变与射流运动轨迹的关系；构建射流复杂运动过程中高分子溶液三元体系相图，模拟射流运动过程中不同电场梯度下的微观相态结构，明确纤维成型过程中聚合物微观结构演化机制，建立和完善微纳米纤维可控制备和精细结构调控机制，奠定静电纤维成型理论基础，具有重要理论意义与实际应用价值。

高压电场作用下聚合物液体射流微观结构演变规律涉及到静电纺纤维的成型过程、机理、精细结构调节机制等问题。当前针对这一问题的研究还存在较大不足，限制了该技术的进一步发展。围绕上述基础问题，本项目开展了一系列的研究工作，首先研究了高压电场下聚合物射流形成、结构演化、运动轨迹调控等一系列工作，探究了高压电场下不同位置处的电场分布及场强情况，探讨了电压大小对射流运动轨迹的影响，获得了调控射流运动轨迹的实验方法，纺丝针头的形状对电场分布具有影响，进而影响了射流运动的轨迹，这导致了射流所受的拉伸程度不同，最终造成了纤维集合体力学性能差异，这些结果为制备性能优异的微纳米纤维奠定了理论基础。在此基础上，利用不同性质的聚合物来研究高压电场下复合射流的运动轨迹与调控方法，以实现具有螺旋结构的复合纤维的制备；探索了聚合物本体结构对复合射流形成纤维的影响规律，进行了高压静电同轴复合纺丝，通过改变收集装置的形态及运动情况来影响高压电场分布进而调控纤维的最终形貌结构。其次，开展了高压电场下原位纺丝装置的搭建、调试与改进研究，在射流稳定运动阶段，射流内部分子取向随着泰勒锥的形成而形成，取向因子随着射流向不稳定阶段过度而增加；在此阶段聚合物难以形成结晶，后续不稳定段的拉伸对分子取向具有重要作用。高压电场下射流微观结构演变与纤维分子取向规律的研究，对今后聚合物纳米纤维的成型和纤维结构调控具有重要指导意义。项目还开展了温度场与压力场协同作用下聚合物纳米纤维膜结构与性能之间的关系研究，宏观上提升了纤维膜的力学强度和耐磨性，使得其应用性能大幅度改善，为纤维膜物理改性提供了一种方法；在热力场下高压静电场制备聚合物微纳米纤维微观结构的实时演变规律，为调控高压电场下制备聚合物纳米纤维的力学性能提供了重要理论指导。项目执行期间发表SCI收录论文11篇，中文文章2篇，申报国家发明专利2项，培养了多名研究生。