平行排列多喷头静电纺丝机纺丝状态及纤维结构

以聚砜为溶质,DMF/丙酮(质量比9∶1)作为溶剂,从接收效率、纺丝稳定性及扫描电子显微镜(SEM)观察得到的纤维的形态结构、成丝均匀性,探究了单喷和多喷时,喷头呈平行排列的静电纺丝机的纺丝状态和纺丝效果。研究结果表明:在单喷头纺丝系统下,溶液的质量分数、纺丝电压和纺丝线速度对纤维的形态结构影响较大;在多喷头情况下,电场存在一定的不均匀,导致各喷头不能同时稳定地纺丝;由于电场强度的衰减,多喷头时必须采用高于单喷头的纺丝电压才能进行正常的纺丝。     

辅助电极作用下双喷头静电纺丝电场及射流受力分析

 双喷头静电纺丝过程中,喷头间电场相互干扰,带有相同电荷的两条射流相互排斥,使得纺丝连续性下降且纤网分布不均匀。本文通过在两喷头处各装有相同形状的圆锥形辅助电极来降低电场间的干扰,实验表明,装有圆锥形辅助电极的双喷头静电纺丝射流连续性好,纤网分布均匀且纤维直径更细。最后通过Ansoft Maxwell 3D电磁场分析软件对静电纺丝电场进行建模仿真,并模拟射流受力,从而进一步阐明辅助电极屏蔽电场的作用。     

阵列圆盘式纺丝头结构对电场强度的影响

传统的规模化静电纺丝技术存在所需电压高、场强不均和边缘效应等问题，导致纺丝质量不佳，难以规模化制备纳米纤维。因此，提出一种新型的阵列圆盘式无针头设备，使用Solidworks软件进行三维建模，然后将模型导入COMSOL Multiphysics^? 5.6有限元仿真软件进行模拟，优化新型纺丝头的结构参数、接收距离、外加电压以得到最佳的电场强度和匀场效果。结果表明：当新型纺丝头圆盘数量为10、圆盘间距为40 mm、圆盘外径为40 mm、接收距离为100 mm、电压为25 kV时，电场强度平均值为1.48×10⁶ V/m,CV值为1.60%,表明该纺丝头结构有效克服了边缘效应并降低纺丝所需电压。所得纺丝装置模型在纺丝口处的电场强度较高且分布均匀，可批量制备高质量的纳米纤维。     

高压静电加载形式对聚合物熔体静电直写制备效果的影响

为探究熔体静电直写制备过程中电极正接与反接造成的差异，利用ANSYS对不同高压静电加载形式下纺丝区间的电场强度大小、分布以及电场方向进行了模拟分析，并从产生射流临界电压、射流速度、纤维直径、纤维沉积精度等方面进行了实验对比。模拟结果与实验结果相互印证：电极正接的情况下喷头处电场强度较反接高出14%左右，纤维直径更细，射流速度更快，相同距离下产生射流所需要的临界电压仅为反接的35%～74%;电极反接的情况下接收板位置电场强度较正接高35%左右，电场强度分布更加均匀，电场方向更加一致，更有利于提高纤维在电场中的稳定性，纤维沉积偏差较正接降低35%～51%。     

电场均匀性对单孔静电纺丝的影响

静电纺丝过程中,带电的射流会受到电场的作用。为了获得直径更小且分布均匀的纤维,在单孔静电纺丝装置的基础上,设计1组大小不同的电极和1组形状不同的接收装置的静电纺丝装置,分别在单孔静电纺丝装置中进行静电纺丝对比试验,并用Maxwell软件模拟纺丝装置中电场的分布,试验结果说明,采用尺寸较大的电极或圆锅状接收装置的静电纺丝装置电场分布均匀,纤维直径和纤维毡厚度分布也较均匀。     

多曲面喷头静电纺射流形成机制与成膜特性

为实现微纳米纤维的批量化制备,研究了一种新型多曲面喷头静电纺丝装置。利用ANSYS Maxwell 3D仿真软件模拟多曲面喷头的电场强度分布,探究了自由液面射流形成的理论公式。通过多曲面喷头制备了不同质量分数的聚丙烯腈(PAN)微纳米纤维膜,并借助扫描电子显微镜等对纳米纤维膜的形貌及产量进行表征。结果表明:喷头曲面顶部电场强度最大,高聚物液体易产生波动不稳定现象,当电场力大于液体表面张力时将打破平衡状态,从而产生多股射流;通过该静电纺丝装置获得了光滑无串珠的PAN微纳米纤维,其直径随PAN质量分数的增加而增加,且产量是传统单针头的103倍。     

电压和辅助气流对狭缝式熔体微分电纺的影响

采用自主设计的狭缝式熔体微分静电纺丝装置,使用聚丙烯（PP）材料进行熔体静电纺丝,研究了电压对射流根数的影响,同时探究了辅助气流对纤维直径的细化作用。试验结果表明：当挤出机端温度为200％,流道温度为230℃,纺丝距离为90mm,流量大小为0．8g／min时,射流根数随着电压增大而增加;当电压为50kV时,射流根数达到最大,为24根。纤维直径随辅助气流速度的增大而减小;当电压为50kV,辅助气流速度为8m／s时,纤维平均直径可达到1．55μm。     

静电纺丝法制备超吸水纤维的研究

介绍了静电纺丝的装置及原理 ,对影响静电纺丝工艺的参数 (如溶液浓度、纺丝电压、固化距离、喷头孔径等 )进行了研究 ;通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察了所制得超吸水纤维的形态结构 ,对纤维的吸水性能进行了测试     

静电纺丝接收装置的大小对电场分布和纤维接收的影响

为了研究接收装置对电场分布和静电纺丝纤维直径及纤维毡的影响,设计三组大小不同的接收板,分别在单针头和单孔静电纺丝装置中进行对比实验,测量纤维直径和纤维毡厚度分布。采用Maxwell软件模拟单针头和单孔静电纺丝装置中电场的分布,模拟结果用于解释分析试验结果。试验和模拟结果说明用尺寸较小的接收板的静电纺丝装置得到的纤维直径较细,纤维在接收板上的分布也较均匀,这和尺寸小接收板的静电纺丝装置电场分布均匀的模拟结果相符。因此,尺寸小的接收板可以有效地改善静电纺丝纤维的接收。     

静电纺丝的模式

针对现阶段存在的静电纺丝模式进行了归纳与分析,其中常规纺丝模式包括 “点-板”、“线-板”、“板-板”静电纺丝;高效纺丝模式包括“多喷头”、“无喷头”静电纺丝;特殊纺丝模式包括“同轴”、“近电场”、 “离心”静电纺丝。对各模式的纺丝特点、技术优缺点、适用性等技术进展情况进行了总结,可为静电纺丝新模式的发展提供参考。     

多针头静电纺场强改善的有限元分析

多针头静电纺丝技术被认为是提高纳米纤维产量的有效方法,但场强控制存在困难。本文采用COMSOL Multiphysics多物理耦合场有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中场强的分布以及大小进行模拟研究,提出不等针长、不等针间距以及纺针圆形排布三种措施来对多针头静电纺场强大小及均匀度进行改进,并通过有限元模拟对上述三种多针头排布方式进行评价。此外,在多针头静电纺工艺的基础上施加辅助电极,旨在通过对电场方向走势的控制来降低纺丝过程中存在的不稳定现象,从而提高纺丝效率。     

双锥面熔体微分静电纺中电场分布的有限元分析

为获得最佳的熔体微分静电纺丝结构参数,采用有限元分析软件ANSYS对多层锥面无针熔体微分静电纺丝中的电场分布进行模拟,分析了双锥面特征设计参数对纺丝尖端场强的影响,分别讨论了内圈直径和内圈伸出距离对内外圈纺丝尖端及纺丝路径场强分布的影响。ANSYS数值模拟结果表明:增加锥面层数会减弱最外圈纺丝尖端的电场强度;对于双锥面熔体纺丝装置,内锥面直径大小对纺丝尖端场强分布的影响不明显;当内锥面伸出距离增大时,内外圈纺丝尖端场强的差值先减小再增大;当内锥面直径为26 mm,内圈伸出距离为6 mm时,内外圈纺丝尖端电场强度分布最相似,能够保证内外锥面制备的纤维射流间距相同,实验结果和模拟结果一致。     

多针头静电纺丝过程中电场强度与分布的有限元分析

采用COMSOL Multiphysics多物理耦合场有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中的工艺参数如何影响场强的大小与分布进行了模拟分析,对于纺针数量、直径、长度、间距以及电压对各针场强大小与分布的影响进行了系统研究。结果发现,对于单针头静电纺,场强峰值出现在针尖部位,而对于线性排列的多针头静电纺丝而言,场强峰值出现在两侧纺针的针尖外侧部位,中间纺针的场强受到抑制而变小,这也是存在End effect 现象的根本原因。此外,随着纺针数量、直径和针长的增加,最外侧纺针场强峰值显著下降,而外加电压的增大和接收距离的减小会使场强峰值显著增大。这些发现会对多针头静电纺丝过程中场强大小及分布的改善起到重要的理论支撑作用。     

多针头静电编场强分布的研究

在静电纺丝过程中,电场的分布形式及场强大小,会影响射流的稳定性及整个纺丝的效果。为了得到最佳的纺丝电场环境,需对工作电场进行初步的模拟及优化。利用有限元分析软件ANSYS分别对规模化多针头高压静电纺丝机的工作场强进行了建模与仿真。分析研究表明：随着针头数的增加,场强峰值减小;同一排针中,边缘针场强最大,中间的针场强最小,且边缘针场强不是垂直针向下,而是由于受到其他针的库仑力向两侧倾斜。另外对纺丝针距进行优化,得出了多针头静电纺的最佳针间距。     

静电纺工艺对PA6/MWNTs纳米纤维纱结构与性能的影响

 以PA6、多壁碳纳米管（MWNTs）为原料,利用自制的静电纺丝装置,探索了碳纳米管增强PA6纳米纤维纱的连续静电纺丝。研究了纺丝电压、纺丝高度、电场强度等参数对PA6/MWNTs纳米纤维纱的结构与性能的影响。结果表明：随着电压的增大,纤维和纱线的直径、纤维结晶度、断裂强力增加,纤维间黏连减少;随着纺丝高度的增加,纤维的定向排列程度、纤维结晶度提高,纱线断裂强度和初始模量增加;电场强度一定时,随着电压和纺丝高度的增加,纤维的平行排列程度提高,纱线的断裂强力、断裂伸长率、初始模量和断裂强度都增大。     

Effect of nozzle polarity and connection on electrospinning of polyacrylonitrile nanofibers

In this study, two power supplies having positive/ground and negative/ground electrode output ends were used separately for electrospinning of polyacrylonitrile nanofibers. Depending on type of power supply and electrode connection, electrospinning led to different fiber diameters and deposition areas. The nozzle was connected to a high voltage end while the collector was grounded. Regardless of power supply used, finer fibers with a larger deposition area were obtained, compared to that using the same setup but with a reverse electrode connection. With an increase in the applied voltage, fiber deposition area, and productivity increased for all electrode connections. Grounded nozzles provide much better control over fiber deposition than the reverse electrode connections. Finite element modeling was used to analyze the electric field profile in the electrospinning zone. It was revealed that high electric intensity was mainly located in the part that was charged with a high voltage electrode, which could explain the differences in fiber diameter and deposition area.