静电纺亚微米纤维膜和纱中纤维取向、直径及拉伸性质表征

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静电纺技术在成为人们获取纳米纤维的同时,其带来了三个问题,其一是产量低,其二是纤维粗(在亚微米尺度)且不均匀;其三是强度低(1cn/dtex),几乎不具可纺性。人们为了追求产量,只能统称为纳米纤维(1~100nm);人们又为了能够使用而只做纤维膜,以回避对纤维强度的要求。本文针对静电纺的后两个问题,采用滚筒旋转收集纤维时的附加牵伸力来细化和增强静电纺纤维;以静电纺直纺牵伸成纱的方式来增强和回避纤维强度偏低的问题,并采用图像分析的Hough变换法和Regionprops函数法求解静电纺纤维体的取向分布,为力学性能分析提供准确的结构参数,主要的结果和结论如下。  实验分析证实了Hough变换(HT)和Regionprops函数(RF)两种图像分析方法,均能有效准确地用于纤维膜中的纤维取向分布,且RF更为精准,故求解的值成为主要纤维取向分布和取向因子。尽管HT方法结果稳定且精度较高,但是RF更能简单明显表征不同取向的纤维膜和纱线的纤维取向分布,不仅定量化得到主取向方向,还能准确利用平均取向角度表征纤维排列。两种分析方法都证明滚筒线速度的提高,将使静电纺纤维直径变细,如在滚筒线速度为7m/min时,变细率为32%,达170nm;使纤维排列的取向因子f增大,达2.16。此结果对细化和增强效果明显,并暗示可通过机械牵伸实现静电纺纤维纳米化和力学性质的增强。  不同收集条件的静电纺纤维膜的力学性能不同。且随着滚筒转速的提高,静电纺纤维膜的力学性质会改善。静电纺纤维膜的拉伸性能受收集条件的影响较大,并用强度和伸长率指标来表征。在一定速度范围内,纤维膜的加工方向的强度随着滚筒速度的提高而逐渐增大,增大的幅度逐渐减少,不能无限增大,说明增大速度是有一定局限性。随着速度的提高,纤维膜的伸长率基本是增大趋势,说明不仅纤维膜的强度随滚筒速度增大,纤维膜的伸长率也随之增大。这两种结果说明了随着滚筒速度增加,纤维膜中单纤维不仅细化,平均强度也随之增大,纤维的伸直度也随之增大。  比较分析纵横方向的力学各向同性和各向异性与滚筒速度、平均取向度和牵伸比之间的关系,静电纺纤维膜的强度呈现明显的各向异性,且强度异性比和异性系数随着滚筒速度、平均取向度和牵伸比的增大而逐渐增大,而伸长体现了各向同性。虽燃滚筒速度、取向度、牵伸比逐渐增大,伸长异性比和异性系数基本在定值附近浮动。这说明在一定范围内,机械再牵伸作用能够改善纤维膜的力学性质,是一种潜在的有效方式。文中还分析静电纺纱线的力学性质和结构,由静电纺纤维膜向静电纺纱线过渡也是静电纺材料的一个重要发展方向。  文中还对静电纺丝技术下纤维膜的孔隙结构进行分析讨论,对静电纺纤维膜的孔隙结构和静电纺纤维膜的透气性的测试分析,并探讨了透气性能各个影响因素对其的作用关系。结果得到静电纺纤维膜的平均透气率随着孔隙率的增大而增大,研究不同形态纤维膜透气性与结构参数的关系。根据苛仁纳公式,给出了苛仁纳公式中孔隙率、纤维直径的作用,得到相应的非线性回归和线性回归曲线。
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