1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析 所在学院 专业班级 高分子材料与工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 ： 静电纺丝是一种制备纳米纤维的方法， 其设备一般包括高压静电发生器、供液装置和接收装置。 它 是利用静电荷使喷 嘴尖端的聚合物溶液从半球形转变成锥形，并进而使射流从顶端喷射出来形成超细纤维的过程。现如今产量低及纺丝过程中射流的不稳定性制约着其进一步发展，进而给静电纺丝走向产业化造成了一定的阻力，而多喷头装置和辅助电极的应用是实现其高产量和稳定射流的一个重要的方向。本次研究侧重于采用双喷头装置进行静电纺丝，
2、而在纺丝过程中两个喷头喷出的纤维由于带相同的电荷而互相排斥，加剧了射流的不稳定性，使得纤网中纤维分布不匀。本课题在此基础上设计了各种辅助电极，起到了改善电场的作用，从而稳定射流、均匀纤网，并通过 Ansoft Maxwell 3D 电磁场分析软件进行建模分析，解释为什么辅助电极可以起到这样的作用，为静电纺丝的进一步发展献计献策。 关键词： 静电纺丝；多喷头；辅助电极；电场仿真 II Analysis of stretching process of multi-nozzle electrospinning with auxiliary electrode Abstract： Electrosp
3、inning is a method of producing nanofibers. The devices of electrospinning include high-voltage electrostatic generator, the fluid device and receiver. It is the use of electrostatic charge to the polymer solution from the nozzle tip into a cone-shaped dome, and thus leaving the jet from the top of
4、the Penshechulai the process of the formation of ultra-fine fibers 1. Now the production of electrospinning is low and the jet instability restricts its further development, and then caused some difficulty for electrostatic spinning industry.That multi-nozzle device and the auxiliary electrode appli
5、cation is to achieve its high yield and stability jet is an important direction. This study focuses on dual-nozzle electrospinning device, and two in the spinning process the fiber spray nozzle with the same charge as the mutually exclusive, exacerbated the instability of the jet, making the fiber i
6、n the fiber distribution uneven. On this basis, the project continued to design a variety of auxiliary electrodes to stabilize the jet, uniform fiber network.By Ansoft Maxwell 3D electromagnetic field analysis software for modeling and analysis,to explain why the auxiliary electrode can play such a
7、role for the further development of electrospinning. Keywords: Electrospinning； Multiple needles； Auxiliary electrode； Electric field simulation III 目 录 1 绪 论 . 5 1.1 静电纺丝概述 . 5 1.1.1 静电纺丝的历史背景 . 5 1.1.2 静电纺丝的发展意义 . 5 1.2 静电纺丝中出现的问题及相关定义 . 5 1.3 静电纺丝中喷头研究的最新成果及动态 . 6 1.3.1 单喷头的发展与应用 . 6 1.3.2 双喷头的发展
8、与应用 . 6 1.3.3 多喷头的发展与应用 . 6 1.4 静电纺丝中辅助电极研究的最新成果及动态 . 7 1.5 课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线、研究难点以及预期达到的目标 . 8 1.5.1 研究内容 . 8 1.5.2 研究方法 . 9 1.5.3 技术路线 . 9 1.5.4 研究难点 . 9 1.5.5 预期达到的目标 . 9 1.6 毕业论文工作进度和安排 . 9 2 实验过程与 Ansoft Maxwell 3D 电磁场建模机理与方案 . 11 2.1 静电纺丝的设备 . 11 2.1.1 自主组装的静电纺丝设备 . 11 2.1.2 辅助电极和多喷头装置的制作与
9、安装 . 11 2.2 纳米纤维的制备方法 . 12 2.2.1 原材料、设备和仪器的选择 . 12 2.2.2 纳米纤维的形成机理 . 13 2.2.3 纳米纤维的制备步骤 . 13 2.3 Ansoft Maxwell 3D 电磁场建模机理与方案 . 13 2.3.1 电磁场分析软件建模机理 . 13 2.3.2 本课题建模方案 . 14 2.4 本章小结 . 14 3 实验结果与讨论以及 Ansoft Maxwell 3D 电磁场建模分析 . 15 3.1 实验设计思路 . 15 3.2 实验成果展示与分析 . 15 3.3 实验结果讨论 . 18 3.3.1 纳米纤维直径表征与结果讨论
10、 . 18 3.3.2 纺丝过程中出现的疑问与分析 . 20 3.3.2 Ansoft Maxwell 3D 电磁场分析软件建模分析 . 21 3.4 本章小结 . 25 4 总结与展望 . 26 IV 参考文献 . 27 致 谢 . 错误 !未定义书签。 5 1 绪 论 1.1 静电纺丝概述 1.1.1 静电纺丝的历史背景 纳米纤维具有大比表面积和小尺寸效应等特点，被广泛应用于材料应用领域。静电纺丝制备纳米纤维是最简单、最便宜和最直接的方法之一，自 20世纪 90年代以来，一直是研究的热点。 1902年 Cooley和 Morton申请了世界上第一项关于静电纺丝的专利 1，从此揭开了静电纺丝
11、研究的序幕。1934-1944年 Formhals2在没有使用喷丝嘴的条件下自主设计了 10个关于静电纺丝的装置，并申请了专利。 1966年 Simons3 用已申请静电纺丝技术专利的装置制备了超细纤维无纺布，推动了静电纺纺丝的进一步发展。到了 1971年， Baumgarten4 研究了溶剂和工艺参数对静电纺丝纤维结构性能的影响。 1.1.2 静电纺丝的发展意义 静电纺是目前能够制备直径低至几个纳米的连续纤维的唯一方法。这种方法可适用于合成及天然聚合物、聚合物合金及载有发色团 、纳米粒子或者活性剂的聚合物 ， 也可应用于金属和陶瓷纳米纤维的制备。利用特殊的静电纺丝法 ,可以生产出具有复杂结构
12、的纤维 。 例如皮芯纤维或者中空纤维。另外 , 也有可能制备出从单纤维到纤维有序排列的结构。静电纺不仅仅在大学试验室中得到应用 ， 而且也逐渐应用到企业。应用领域非常广泛 ， 包括光电子器件、传感器技术、催化、过滤以及医学等。 1.2 静电纺丝中出现的问题及相关定义 静电纺丝技术已经成功地纺制出多种聚合物纳米纤维，据文献报道已经有制造出直径达 5 纳米的静电纺聚合物纳米纤维。然而，该成果的具体做法还没有清晰地提出， 在静电纺丝下纺制出这种超细的纳米级聚合物纤维仍然存在一些困难。由于纳米级结构及其大比表面积，这些超细聚合物纳米纤维具有一定商业价值，可以应用于多种产品之中，比如说过滤膜和防护服等方
13、面 5。 产量低及纺丝过程中射流的不稳定性是制约其进一步发展的瓶颈，进而给静电纺丝走向产业化造成了一定的阻力。而多喷头装置和辅助电极的应用是实现其高产量和稳定射流的一个重要的方向。 （ 1）何谓多喷头 多喷头静电纺丝是目前增加产量的有效方法之一，也是静电纺丝工业化生产的主要发展方向之一。多喷头静电纺丝中多个喷嘴平行或成一定阵形排布 ，引入电场后，形成的喷射细流间会出现电场的相互干扰，而通过引入辅助电极可在一定程度上克服这种弊端。 （ 2）何谓 辅助电极 辅助电极也叫对电极，它只用来通过电流以实现研究电极的极化。研究阴极过程时，辅助电极作阳极，而研究阳极过程时，辅助电极作阴极。辅助电极的面积一般
14、比研究电极6 大，这样就降低了辅助电极上的电流密度，使其在测量过程中基本上不被极化，因而常用铂黑电极作辅助电极。有时为了测量简便，辅助电极也可以用与研究电极相同的金属制作。静电纺丝中使用辅助电极可以稳定射流并均匀纤维。 静电纺纤维的物理机械性能受分子结 晶度和取向度的影响，他们的结晶结构受纺丝过程中各参数和聚合物溶液电学及流变性质的影响。辅助电极在静电纺丝过程中可以看做是一个起稳定性的作用的装置 6。 1.3 静电纺丝中喷头研究的最新成果及动态 静电纺丝的喷头类型可按不同的方法分类，如按喷头的数量分类，主要有单喷头、双喷头、多喷头和无喷头等类型。单喷头静电纺丝的设备简单，但产量低。为了提高静电
15、纺丝的产量和定制纤维的特殊性能，科研工作者对喷头数量和喷头形式进行了改进。 1.3.1 单喷头的发展与应用 单喷头静电纺丝的改进主要致力于改善纤维的形态和性能。气流 单喷头静电纺丝是在喷头处引入一股压力气流，加速纺丝液喷出，这种方式可以增加纤维的均匀性和细度。有研究员通过气流静电纺丝装置制备了平均直径为 80nm的 PES纳米纤维，发现毛细管内径越小和气流流动速率越大，所制得纤维的直径就会越小。也有人用类似的空气驱动静电纺丝装置研究了静电纺丝。该装置是利用空气流从上部沿器壁成切线漩涡流动，由此制备的聚己内酰胺亚微米细丝不但具有波浪纹的效果，而且没有串珠缺陷。共轴静电纺丝主要是用于制备皮芯结构纤
16、维或空心纤维。 Dan Li7等通过共轴静电纺丝装置制备了聚合物无机物或两种不 相容溶液的共轴纤维，通过随后溶去纤维芯层的聚合物或化合物，可得到中空纤维。有人利用双共轴和三共轴的静电纺丝装置进行静电纺丝，在接收板和喷头分别连接负电压和正电压，最后获得了直径分布在 350 400nm的木质素纳米纤维，这是生产木质素纤维的一项重大进展。此后也有人通过共轴静电纺丝装置制备了 PU(皮 ) PA6(芯 )纳米纤维，这种纤维展现出来的性能介于 PU纤维与 PA6纤维各自性能之间，达到了性能互补的效果。 1.3.2 双喷头的发展与应用 Mei Li8等分别连接正电压和负电压的双喷头高速双电极装置静电纺丝，
17、使 静电纺丝的纤维在两喷头之间相互作用和桥接，经过圆柱状转鼓拉伸后，发现纤维之间出现了很多缠结，并且纤维具有三维各向同性的网状结构，另外，采用该双电极模型静电纺丝所得纤维的产量比单电极模型静电纺丝所得的至少提高了 170倍。有研究员也采用了 1对分别连接正负电压的喷头进行静电纺丝，两个喷头所喷出的纤维由于带相反的电荷而发生互相吸引，继而粘结在一起，经圆柱形转鼓收集形成纳米纤维纱。这种方法制备的纤维纱连续且单轴排列好。 1.3.3 多喷头的发展与应用 多喷头静电纺丝是目前增加产量的有效方法之一，也是静电纺丝工业化生产的 主要发展方向之一。多喷头静电纺丝法中的多个喷嘴平行或成一定阵形排布，引入电场
18、后，形成的喷射细流间7 会出现电场的相互干扰，而通过引入辅助电极可在一定程度上克服这种弊端。有研究员利用多喷头静电纺丝法制备 PVA CA复合纳米纤维毡，喷头通过平行于接收辊的导轨来回运动，使纤维均匀地喷到接收辊上，最终制得厚度均匀的 PVA CA复合纳米纤维毡。该研究提供了一种解决多喷头静电纺丝过程中射流相互干扰不能制备厚度均匀的纤维毡的方法。有研究员则从理论上研究了多喷头静电纺丝过程中射流干扰的问题，对比了单喷头、并列多喷头和 3 3矩阵 排列多喷头的射流运动过程，并建立了相应的模型，得出在多喷头排列形式中，中间射流运动轨迹受射流的影响较小，而旁边的射流运动轨迹受的影响则较大，这为解决多喷
19、头静电纺丝的射流在电场中相互干扰的问题提供了新的思路。还有人设计了一种带有圆筒状辅助电极的多喷头静电纺丝装置，采用该装置能有效减少射流在刚喷出阶段受到附近电荷、空气气流、介电材料和金属材料的干扰，提高了静电纺丝的产量。 Chang Haw-Jer9等设计了一种带有旋转喷头的静电纺丝装置。该装置既具有普通多喷头静电纺丝装置产量较高的特点，同时由于喷头的旋转 ，配合接收装置的移动，可以有效减轻普通多喷头纺丝装置中因静电干扰而产生纤维毡厚度不均的问题。有研究员设计了利用铁磁性形成多喷头的静电纺丝成型设备，该装置采用一个分层溶液体系，该溶液体系下层为铁磁性悬浮液，上层为聚合物溶液，将整个溶液体系放置于
20、永久性磁铁或线圈形成的垂直磁场中，再外加一个垂直电场，铁磁性悬浮液由于磁场的作用形成稳定的针状突起物，突起物穿过 2层液体界面和聚合物溶液上表面，处于针状物顶端位置的高聚物液体形成向上喷射细流，喷射细流在电场的强力拉伸下，经过不稳定性的鞭动和溶剂挥发后最终落在收集装置上。 该法使纤维产量有了很大的提高。 Cevat Erisken10等 设计了一种采用双螺杆挤出形式的静电纺丝实验装置。该装置的核心部件为中间的双螺杆，其剪切作用可分散集聚在一起的纳米颗粒，提高纳米颗粒的分散效率，更有利于制备纳米颗粒复合的纳米纤维。另外机头的分流口模可以配备不同的纺丝喷头类型，实现多喷头静电纺丝，从而提高纤维产量
21、 17。 1.4 静电纺丝中辅助电极研究的最新成果及动态 为了控制微纳米纤维的成形 ， 研究人员一般利用辅助电极对接收装置进行改进 ， 使纤维得到更好的排列以及能定点接收。 有研究员 通过刀锋 型辅助电极得到高度排列的静电纺纳米纤维。喷头前设置与一般静电纺丝装置大致类似 ， 接受装置则采用两个尖端绝缘的、边缘锋利的不锈钢板。静电纺丝时在两板间引入负电 ， 当带正电的射流沿一定螺旋轨迹向下运动并接近接收装置时 ， 由于带负电的两不锈钢板的库仑力作用 ， 射流在两板间沿电场排列 ， 从而获得具有高度排列的纳米纤维。这是一种获得具有高度排列的纳米短纤维的方法。 有研究员 通过在喷丝头的对面引进平行辅
22、助电极 ， 使静电纺丝时的电场更加集中 ， 中间采用圆柱状转鼓收集纤维 ， 在保持纤维的直径没有变化的条件下 ， 圆柱状转鼓上的纤维毡的分布面积明显变小 ， 这为定点静电纺丝提供了思路。 还有研究员 用圆筒状辅助电极套住喷头 ， 减少了射流8 在离开喷头后的不稳定性。通过这种圆筒状辅助电极 ， 发现所得纤维毡圆斑面积比未采用辅助电极的静电纺丝过程纤维毡圆斑要小 ， 充分证明了采用这种辅助电极可以减少射流的不稳定性。 有人设计了一种带有圆筒状辅助电极的多喷头静电纺丝装置 ， 采用该装置能有效的减少射流在刚喷出喷头对受到的附近电荷、空气气流 ， 介电材料和金属材料的干扰 ， 溶液射流更加稳定 ，
23、提高了静电纺丝产量。 W. E. Teo11等人在圆柱状转鼓的下方安装了锋利的刀刃电极 ， 然后在刀 刃上接上负电压 ， 结果发现纤维能在转鼓上更好的有序排列。 N. Bhattara12等人采用两端缠绕铜线的圆柱状转鼓收集纤维 ， 使得原本只用圆柱状转鼓接收的具有一定排列的纤维的排列有序性和程度进一步提高（提到姓名的需要引用该研究者的文献，其它地方相同）。 有研究员 人采用与经典静电纺丝理论不同的自集束静电纺丝理论 ， 即引入接地的金属针制备纳米纤维 ， 并且用圆柱状转鼓收集纤维。用羟基丁酸 、 羟基戊酸共聚物、聚丙烯腈、左旋聚乳酸、聚间苯二甲酰间苯二胺 4种聚合物进行静电纺丝实验 ， 结果
24、发现可以获得排列性很好的纤维。 L. Buttafoco13等人在静电纺丝时引入了第二电场 ， 即在喷头处加了一个接相同极性电压的金属环 ， 结果发现第二电场引入减少了射流的不稳定性。 J. M. De itze14 等人让喷头出来的射流穿过与喷头电压极性 (正极 )一致的 三 个铜环 ，结果同样证明了这样加入第二电场能够控制或减少射流的不稳定性 ， 能实现定点的静电纺丝。 Bon Kang Gu15等人利用前后开口的箱体辅助电极进行静电纺丝 ， 箱体的 4个侧面通过继电器按顺序交替接地 ， 产生连续旋转的电场 ， 从而可以制备具有一定捻度的纳米纤维 ， 这种纤维的结构和天然缠绕的 纤维结构很
25、相似 ， 在仿生方面有很大的应用前景。 此外 ， 人们还通过在喷头加正负电压来改善纤维的形貌和性能。 曾有研究员 人采用了在一组针头分别加正负电压进行静电纺丝 ， 从两个针头所喷出的纤维因为带相反的电荷而发生互相吸引而粘结在一起 ， 经圆柱型转鼓收集形成纳米纤维。利用该种办法制备的纤维连续、单轴排列好 ，且随着转速的提高 ， 纤维的排列程度也会增加。 Xinsong Li16等人采用一组和三组分别连接相反极性电压的喷头静电纺丝制备左旋聚乳酸 /磷酸三甲酚酯复合纤维 ， 得到了排列好的纤维 ， 而且拉伸强度达到 0.31cn/dtex， 这种纤维可以编织成布 ， 用作组织工程的复合可降解生物支架
26、。 1.5 课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线、研究难点以及预期达到的目标 1.5.1 研究内容 （ 1） 采用多喷头提高静电纺丝的产量 ， 设计不同形状的辅助电极提高多喷头静电纺丝不同位置喷头附近电场的强度及稳定性，从而降低纺丝电压，屏蔽邻近喷头间电场干扰，以纺得直径更细，细度更均匀的纳米纤网。 （ 2） 对辅助电极作用下的射流进行 讨论 ，采用 Ansoft Maxwell 3D 电磁场分析软件对射流受力建模分析，从而研究辅助电极对射流拉伸过程作用机理。 （ 3） 测试辅助电极作用下多喷头静电纺丝纤维 直径 ，对理论分析进行实验验证。 9 1.5.2 研究方法 本次毕业设计立足于现
27、有成果之上，采用理论分析法、实验法、建模分析法等研究方法来展开此次课题， 设计出不同形状、结构、尺寸的辅助电极，对辅助电极作用下单喷头 和多喷头 在不同工艺参数下进行纺丝实验 ， 选取纺丝电压较低、纺得纤维较细、细度不匀小的辅助电极，并得出该辅助电极作用下单喷头纺丝的较优的工艺参数 ，最后进行射流受力建模分析及相关性能测试。 1.5.3 技术路线 第一步，在教师指导下初步选题，明确本次研究的主 题：辅助电极作用下多喷头静电纺丝射流拉伸过程力学分析；第二步，搜集、阅读和整理相关辅助电极和多喷头静电纺丝的资料，并撰写开题报告；第三步，证论并组织与此次研究相关的实验器材、工艺参数、研究方法；第四步，
28、对纺丝的工艺参数，纤维的细度、结晶度及其机械性能进行分析；第五步，结合实验结果，撰写相关的毕业论文；第六步，毕业论文的修改与定稿。 1.5.4 研究难点 （ 1） 本次毕业设计所涉及的内容略高于所学知识，因此想要彻底了解并掌握相关静电纺丝的知识需要建立在大量阅读文献的基础之上。 （ 2） 致力于本次毕业设计的学生忙于备战考 研，因而在完成专业基础课程的基础上需兼顾、权衡考研与毕业设计的关系。 （ 3） 本项目拟采用 Ansoft Maxwell 3D 工程电磁场分析软件 ，因此该项目实施之前要学习并熟练掌握此软件。同时要尝试着去熟悉静电纺丝的装置及其他实验设备并对所得数据进行科学的处理。 1.
29、5.5 预期达到的目标 （ 1） 查阅与静电纺丝相关的国内外文献（外文文献不少于 2篇），对所掌握的资料进行科学的分类与整理，整合自己的见解，撰写一篇有关在辅助电极作用下多喷头静电纺丝过程的文献综述。 （ 2） 在导师的指导下翻译 2篇外文文献，将其中部分内容翻译 成中文（翻译内容连续，每篇字数在 2000以上）。 （ 3） 本项目拟采用 Ansoft Maxwell 3D 工程电磁场分析软件对单喷头 和多喷头 的纺丝电场进行仿真优化，设计出不同形状、结构、尺寸的辅助电极 ， 进行纺丝实验，并对纺得纤网采用三维视频显微镜 （ KH7000） 和扫描电子显微镜 （ SEM） 进行观测。选取纺丝电压较低、 较优的纺丝液性质， 纺得纤维较细、细度不匀小的辅助电极 。 （ 4） 在导师的指导下，结合已有科研结论和所得实验结果，撰写一篇优质的毕业论文。 1.6 毕业论文工作进度和安排 2010.10.25 2010.11.20： 完成单喷头及多喷头辅助电极的设计，得出使纺丝顺畅、纺丝电压较低且纺得纤维细及细度均匀的辅助电极。并得出辅助电极作用下多
