【摘 要】
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微纳结构因其优异的性能而具有巨大的应用潜力。微纳米纤维作为众多微纳结构中的一种,可以通过多种工艺制造,其中离心纺丝因其产量大和能耗低等突出的优势吸引了越来越多研究人员的关注。离心纺丝作为一种制造微纳米纤维的新工艺,其工作原理是利用离心力将液态聚合物甩出拉伸细化而形成纤维。本文工作以探索离心纺丝的工艺参数为核心展开,包括装置的研发、工艺参数的探索、应用初探和装置的改进与验证。首先开展的工作是设计并构
【基金项目】
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广东省科技重大专项:面向微纳结构功能器件制造的高效直写三维打印装备研制与产业化,No.X190071UZ190;
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微纳结构因其优异的性能而具有巨大的应用潜力。微纳米纤维作为众多微纳结构中的一种,可以通过多种工艺制造,其中离心纺丝因其产量大和能耗低等突出的优势吸引了越来越多研究人员的关注。离心纺丝作为一种制造微纳米纤维的新工艺,其工作原理是利用离心力将液态聚合物甩出拉伸细化而形成纤维。本文工作以探索离心纺丝的工艺参数为核心展开,包括装置的研发、工艺参数的探索、应用初探和装置的改进与验证。首先开展的工作是设计并构建离心纺丝装置。先简要总结离心纺丝的纤维成型机理,然后建立装置的模型,最后购买零部件并完成装配。在离心纺丝装置的装配工作完成之后,调试使用该装置并进行了微纳米纤维的制造实验,结果表明该装置功能稳定,达到设计的要求。接着通过正交实验探索不同工艺参数对纤维成型的影响规律。利用自制的离心纺丝装置制造PVP/PEO复合纤维膜,纤维平均直径及其变异系数被用来作为评价依据,通过正交实验探索喷丝头转速、溶液浓度、喷丝孔直径和环境温度等四个重要参数对纤维成型的影响,由此得到适合的纺丝工艺参数。最后进行工艺参数的验证实验,结果表明该组参数可用于制备平均直径较小、纤维均一性较好的纤维薄膜。然后为了拓展离心纺丝的应用,对离心纺丝装置进行改进,通过仿真辅助优化设计,并通过实验验证优化设计的效果。具体来说是设计了有针式和无针式的喷丝头并使用COMSOL对流场和电场进行仿真,仿真结果显示无针式的喷丝头是更好的设计;设计了使用不同电极的收集装置并进行电场仿真,结果表明环形柱状电极对电场的集中效果更好,而环形片状电极的电场强度更高。利用改进后的装置制备取向纤维来验证改进效果,对实验所得到的纤维进行取向性分析发现,改进后的装置可用于制备取向纤维,使用无针式喷丝头和环形片状电极设计的纤维取向性更好;通过拉伸实验发现取向纤维相较于普通纤维有更好的单轴力学性能。最后进行了离心纺丝的应用初探,制造了速溶性载药纤维薄膜。选用扑热息痛(APAP)作为目标药物添加到PVP/PEO混合溶液中,使用正交实验得到的工艺参数制造了速溶载药纤维薄膜。通过使用SEM、FTIR、XRD和DSC等方法进行表征,发现APAP能和PVP/PEO很好地以无定形态相容,这说明载药纤维薄膜含有目标药物。通过速溶性实验对载药纤维薄膜的快速溶解性能进行表征,发现样品在9 s内基本溶解完毕。
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