螺杆电极多射流静电纺丝实验研究

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电纺纳米纤维在过滤材料、传感器、生物医疗、能量存储等领域都有着极其广阔的应用前景,而批量制备纳米纤维是其从实验室走向市场的关键。本文中提出一种基于螺杆电极的多射流静电纺丝装置,研究了多射流喷射调控规律,开发了带自清洁功能的储液滑块以实现纺丝溶液的持续、均匀供给,实现了纳米纤维的批量化稳定喷射。  通过ANSYS仿真分析了螺杆电极表面电场分布,完成带螺杆电极多射流静电纺丝平台机械结构与电气控制系统的设计开发;利用螺杆带动储液滑块往复运动,实现纺丝溶液的均匀涂布与持续供液;螺杆上螺牙增强了局部电场促进了射流的稳定喷射,保证多射流的持续电纺,提高纳米纤维产量;20min内螺杆电极静电纺丝纳米纤维最高产量达2.8232g,是传统单喷头静电纺丝产量的400倍左右。  基于运动学理论,分析射流喷射模式和喷射行为,明确螺杆电极转速、半径与射流偏离竖直方向角度的关系,结果表明减小螺杆电极转速和半径有利于提高射流喷射的稳定性;射流启动电压随着溶液浓度、纺丝距离的增大而增大,随着螺杆转速、供液速度的增大而减小;纳米纤维直径随着纺丝电压、溶液浓度、供液速度的增大而增大,随着纺丝距离、螺杆转速的增大而减小;纳米纤维产量随着纺丝电压、供液速度的增大而增大,随着纺丝距离、溶液浓度的增大而减小,为批量纳米纤维喷射控制提供实验基础;储液滑块沿螺杆往复运动,有利于增强纳米纤维在收集板上分布的均匀性,收集板上纳米纤维分布的重量误差率在2.17%-17.34%。  建立螺杆电极多射流纺丝电液耦合数学模型,分析各工艺参数与射流半径、射流速度之间的内在联系,阐述提高纤维产量的途径,明确了螺杆电极静电纺丝射流电流特性;通过模型分析可知通过增大供液量、提高电压或者降低距离都有利于提高纤维的产量。模型分析结果与实验结果相吻合,为纳米纤维产量提高和多射流静电纺丝控制提供理论依据。  本文提出的螺杆电极多射流静电纺丝法具有纤维产量高、连续性好、结构简单、操作方便等特点,为批量电纺提供了一种新型技术手段,有利于促进静电纺丝技术的产业化应用。
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