熔体静电纺丝装置中内外锥面喷头电场的研究

研制了一种新型熔体静电纺丝装置,研究其纺丝喷头为内外锥面不同形状时的电场分布规律及电场对纺丝过程和纤维直径的影响。采用有限元法(ANSYS软件)模拟纺丝电场,并与实验对照分析,发现两种情况下电场分布基本相同,外锥面喷头的最大场强明显比内锥面喷头大,纤维直径也较小,同时发现纺丝距离和外加电压对电场和纤维直径有较大影响。为进一步细化纤维,对内锥面喷头装置通入热风辅助纺丝,发现纺得纤维较外锥面更细,直径在10μm以内,最小平均直径约为3μm。     

接地电极对静电纺丝制备取向纤维的影响

通过合理简化加接地平行电极后的静电纺丝装置,利用有限元模型,借助Comsol Multiphysics 3.5a的静电场模块模拟并分析了静电纺丝过程中,平行电极参数的变化对整个电场分布的影响。同时结合实际因素,探讨了如何选择接地平行电极参数才能制备良好的平行取向纤维。通过分析比较发现:在加上接地平行电极后,电场会在基板附近产生水平方向的分量,正是这一分量使得纤维可以接地平行搭接在电极上;同时当接地平行电极间距增加时,电场水平分量将不足以促使纤维平行搭接;当电极介电常数减少时,电场水平分量也会明显减少;当接地平行电极高度增加时,水平分量亦会增加,但不利于溶剂挥发。因此结合理论分析和实际因素,需选用宽度和高度适中的金属平行电极,才容易制备高质量的平行纤维。     

熔体静电纺丝的工艺条件对纺丝纤维直径的影响

主要研究纺丝温度、纺丝电压、接收距离等参数对聚丙烯(PP)熔体静电纺丝纤维直径的影响。采用了只变一个参数,其它参数固定的常规实验方法。在实验条件范围内,随着纺丝温度的升高,纤维的平均直径逐渐减小,得到PP的最佳纺丝温度240℃。在固定电压的情况下,得到最佳接收距离7cm。在固定接收距离的情况下,随着电压的增加,电场中的喷射流熔体受到的电场力逐渐增大,得出最佳纺丝电压35kV。     

熔体静电纺丝的电场分布及其对PET纤维成形的影响

借助ANSYS软件模拟聚对苯二甲酸乙二酯(PET)熔体静电纺丝在不同参数(纺丝电压、接收距离、接收板面积)条件下的电场分布,探讨电场分布对熔体静电纺丝PET射流运动与纤维形貌的影响。结果表明,在单喷嘴–平板结构模型中,提高纺丝电压将增强整体空间电场强度,使电场对PET熔体射流的控制力加强,PET熔体射流的摆动半径减小,当纺丝电压由24 k V升高到30 k V时,摆动半径由11.7 mm减至9.9 mm,而摆动角增大,由10.1°增至11.2°,PET纤维直径显著减小,由3.275μm减至2.202μm;接收距离的改变对接收板表面电场的影响显著,随着接收距离的增加,PET射流的直线段比例明显下降,当接收距离由50 mm增加至90 mm时,PET熔体射流的直线段比例由68.0%减至54.0%,PET纤维直径在适中接收距离(70 mm)下表现较细,可达2.184μm;接收板面积的减小加强了对PET熔体射流的控制,使PET熔体射流直线段比例显著增加,当接收板面积由15 cm×15 cm减小至10 cm×10 cm时,PET熔体射流直线段比例由68.0%增加至82.6%,摆动半径减小,由9.9 mm减至4.2 mm,沉积角因PET熔体射流贴服接收板而减小,由12.2°减至9.1°,PET纤维直径稍有增加,由2.202μm增加至2.537μm。     

激光熔体静电纺丝研究进展

简述了静电纺丝法的发展历程及研究概况,比较了溶液静电纺丝法和熔体静电纺丝法的优缺点;详细介绍了激光熔体静电纺丝法的优势,总结了目前激光熔体静电纺丝法制备聚合物及复合物微纳米纤维的工艺条件如激光输出功率、应用电压以及聚合物的物理性质等对纤维直径的影响;简要介绍了线激光熔体静电纺丝装置;指出目前激光熔体静电纺丝法制得的多为...     

毛细管熔体静电纺丝法制备热塑性聚氨酯纤维

由于热塑性聚氨酯具有耐磨性、抗凝血性、生物相容性较好及价格低廉等特点,聚氨酯纤维具有较高的断裂伸长率及良好的塑性变形能力,被广泛应用于服装、组织支架、伤口敷料等领域.熔体静电纺丝法具有无有毒溶剂残留、易产业化等特点.文章通过分析热塑性聚氨酯的可纺性,并利用自主产权的熔体毛细管静电纺丝设备对制备热塑性聚氨酯超细纤维的最佳...     

内锥面喷头熔体静电纺丝工艺参数对纤维直径的影响

提出了1种批量化制备纳米纤维的熔体微分静电纺丝新装置——内锥面纺丝喷头,并研究了纺丝过程中主要的工艺参数——电场强度、熔体温度、气流速度对纤维成型过程及直径的影响。实验结果表明:随着电场强度增大,PP纤维直径减小,但电场强度过大时,内锥面喷头周向上的射流分布不均匀;随着熔体温度升高,纤维直径减小,但熔体温度过高时,不能成纤;气流辅助有助于纤维变细,且气流速度越大,纤维越细。     

二级拉伸熔体静电纺丝数值模拟

根据熔体静电纺丝的拉伸机理,采用有限元分析软件COMSOL对静电纺丝电场分布进行模拟仿真,并通过实验验证了结果的可靠性。在COMSOL软件中对模型进行网格划分,根据实验数据进行模拟,最后进行试验验证,得出二级拉伸的纺丝效果更好,与模拟分析结果相一致。     

熔体静电纺丝制备高通量微滤膜

为研制出低成本高效过滤微滤膜,对熔体静电纺丝制备的聚丙烯(PP)纤维过滤膜进行了探究,通过改变电压、风速及温度等参数对单、双电极熔体静电纺丝进行试验,得出熔体静电纺丝双电极电纺膜性能优于单电极电纺膜的结论。采用熔体静电纺丝双电极装置制备出平均纤维直径2μm的过滤膜,验证了采用熔体静电纺丝制备高通量过滤膜的可行性,通过对比得出熔体电纺过滤膜的纯水通量是市售孔径0.45μm PP过滤膜的5倍之多,且对大于其纤维直径的微粒的截留率高达95%以上,力学性能好,可用作预过滤膜对污水进行预处理。     

相对分子质量调节剂在PP熔体微分静电纺丝中的纤维细化作用

利用自制熔体微分静电纺丝装置,添加相对分子质量调节剂CR76,进行聚丙烯(PP)熔体微分静电纺丝,讨论了CR76含量及纺丝温度对PP熔体黏度及纤维直径的影响。结果表明:在200~280℃加工温度下,添加质量分数2%~10%CR76的PP熔体黏度降低到纯PP的25%以下;提高CR76含量与纺丝温度有助于PP纤维直径细化;添加质量分数10%CR76,纺丝温度280℃,制备的PP纤维直径大都小于1μm,平均直径可达970 nm。     

单针头静电纺丝电场强度影响因素有限元分析

简述了静电纺丝原理,采用Comsol Multiphysics有限元软件对静电纺丝过程中的电场强度大小与分布进行模拟。通过改变输入电压、喷丝管直径和长度以及喷丝管与接收板的距离等试验参数,对电场强度大小与分布的影响进行了系统的研究。结果显示:电场强度最大值出现在喷丝管出口处,并且随着电压的增大,电场强度峰值增大;而随着喷丝管的直径、长度和接收距离的增大,电场强度的峰值减小。研究结果对深入理解静电纺丝的发生原理具有参考作用。     

Wire Melt Electrospinning of Thin Polymeric Fibers via Strong Electrostatic Field Gradients

Here, a novel melt electrospinning method to produce few‐micron and nanometer thick fibers is presented, in which a polymer‐coated wire with a sharp tip is used as the polymer source. The polymer coating is melted via Joule heating of the source wire and extracted toward the target via electrostatic forces. The high viscosity and low charge density of polymer melts lower their stretchability in melt. The method relies on confining the Taylor cone and reducing initial jet diameter via concentrated electrostatic fields as a means to reduce the diameter of fibers. As a result, the initial jet diameter and the final fiber diameter are reduced by an order of magnitude of three to ten times, respectively, using wire melt electrospinning compared to syringe‐ and edge‐based electrospinning. The fiber diameter melt electrospun via this novel method is 1.0 ± 0.9 µm, considerably thinner than conventional melt electrospinning techniques. The generation of thin fibers are explained in terms of the electrostatic field around the wire tip, as obtained from finite element analysis (FEA), which controls the size and shape of the melt electrospun jet.     

气流辅助聚合物熔体微分电纺流道优化设计

为进一步降低熔体微分电纺的纤维直径,使其达到纳米尺度,在现有直线狭缝电纺喷头的基础上设计了可以使高速气流汇聚的“V”形风道,通过高速气流对熔体微分射流进行二次牵伸细化。采用实验研究和数值模拟相结合的方法,以射流间距和喷头端电场强度为指标,研究了“V”形风道结构、材质对电纺微分射流的影响。研究结果表明,风道结构会不可避免地削弱喷头端的电场强度、降低射流的效率。增加风刀与喷头尖端的头端凸出量以及采用不导电的聚醚醚酮作为风刀材质都可以有效地降低风刀对射流效率的影响,而风道的宽度对喷头端电场强度影响不大。在优化的风刀结构和材质的基础上,成功制备了平均直径为825 nm的熔体电纺超细纤维。研究证实在气流辅助牵伸的作用下,直线狭缝电纺能够实现熔体电纺超细纤维的批量制备。     

熔体微分静电纺丝法制备聚丙烯共混超细亲水纤维

利用自制熔体微分静电纺丝装置,将聚丙烯(PP)与3种亲水改性剂——纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠和亚雷森7008进行共混,成功制备了PP共混超细亲水纤维,并对纤维的亲水性能进行测试。结果表明:制备的纤维的直径主要集中在2~6μm,有效产量约为9 g/h;亚雷森7008的亲水改性效果最好,当亚雷森7008质量分数为5%时,单位质量共混纤维的吸水率为1269%,输水速率为3.48g/(min?g);随着改性剂含量的增加,纤维直径先增大后减小,芯吸高度增加,亲水改性效果更好。     

熔体微分电纺聚丙烯复合纤维的工艺及成孔性研究

利用自制熔体微分静电纺丝装置探索聚丙烯(PP)分别与纳米碳酸钙(Ca CO3)、固体石蜡、混合无机盐3种不同共混体系的熔体电纺复合纤维的纺丝工艺,并利用后处理方法除去上述3种成孔剂,得到了表面粗糙并带有微孔的PP纤维。试验表明:在一定条件下,3种复合纤维均可由熔体微分电纺法制备,纤维平均直径分别为8.22、8.67和6.08μm,均小于纯PP纤维的12.10μm,纤维直径不随熔融指数增大而减小;气流辅助可以增加泰勒锥根数,当泰勒锥根数达到一定程度时,有助于射流的稳定和纤维的细化。3种复合纤维均可由后处理方法得到表面粗糙并带有微孔的结构:除去Ca CO3的纤维微孔大小不一,分布不均;除去固体石蜡的纤维表面粗糙,有条状和块状凹痕;除去无机盐的纤维微孔相对较小,分布较均匀。与纯PP纤维相比,3种复合纤维的直径更细,表面更粗糙,可以起到增强材料的亲水性(或疏水性)的作用。     

熔融静电纺丝技术制备聚甲醛纤维

通过DSC测试得出聚甲醛的熔融温度为170℃,并通过试验确定最佳的纺丝温度为190℃。研究了聚甲醛质量分数和纺丝电压对静电纺聚甲醛纤维直径的影响,确定最佳的纺丝条件为:聚甲醛质量分数90%,电压14 k V。对聚甲醛纤维的表面形态及热性能进行了测试,结果显示:聚甲醛纤维表面光滑且粗细均匀;结晶度较高,为68.84%;熔点比纯聚甲醛熔点低,为160.25℃。     

基于超临界CO2制备熔体微分静电纺聚丙烯纤维

通过密封的压力容器将聚丙烯（PP）和超临界CO2混合,形成气固均相体系,采用熔体微分静电纺丝法制备PP和超临界CO2均相体系纤维;研究超临界CO2混合以及混合后形成的均相体系进行升温处理对制备纤维的影响。结果表明,纯PP、PP和超临界CO2混合后形成的均相体系以及对均相体系升温处理后,制备的纤维平均直径分别为12.8、8.02、5.08 μm;PP和超临界CO2混合后,聚合物的黏度得到降低;PP和超临界CO2混合后,制备的纤维结晶度得到降低。