静电纺取向纳米纤维及其纤维束制备的研究

论文摘要

本文主要对旋转滚筒接收制备静电纺纳米纤维进行了研究。通过将静电纺丝与传统纺纱中的涡流纺纱相结合,自主研发了一种获取静电纺纳米纤维束的新型的接收装置,并对该接收装置的纺丝原理、纺丝工艺参数等进行了初步的探讨。首先研究了滚筒法制备静电纺取向纳米纤维的纺丝工艺。选用质量分数为12%的聚丙烯腈(PAN)溶液作为纺丝液,当纺丝电压为12kV,纺丝距离为12cm和纺丝流率为0.01ml/min时,考虑到射流的稳定和节约能源,选取获取具有一定取向排列的静电纺纳米纤维的滚筒最佳转速为150rpm。然后通过在纺丝液中分别添加活性碳、氯化锂来制备静电纺取向纳米纤维膜,研究了添加剂的加入对纤维形貌、结构和力学性能的影响。研究发现,添加剂加入后都能改善纤维的取向程度,且氯化锂加入后,纤维在滚筒上的沉积面积减小。随着活性碳含量的增加,所得纤维的直径逐渐增加,而添加氯化锂后,纤维直径的变化不是很明显,但是当氯化锂含量为0.6%时,纤维间出现集束的现象。通过XRD分析可知,氯化锂的加入能提高聚丙烯腈大分子的规整排列。通过力学性能分析发现,随着活性碳含量的增加,纤维的力学性能变差,且活性碳对力学性能的影响明显,而随着氯化锂含量的增加,纤维的拉伸应力呈现先减小后增加的趋势,且当氯化锂含量为0.6%时,静电纺取向纳米纤维的拉伸应变提高。最后,采用漏斗型管道作为静电纺接收装置,并对漏斗后端的圆柱形管道切向抽真空,使得在整个漏斗型管道内部及漏斗口部分形成一定的气流场,从而对纤维进行集聚,形成纤维束。此外,采用质量分数为12%的聚丙烯腈溶液作为纺丝液,对新型静电纺丝装置的纺丝工艺参数进行了初步的探讨,研究了纺丝距离、纺丝流率、真空泵的抽气速率等因素对静电纺纳米纤维束的形成的影响。通过实验发现,当纺丝距离为3cm,纺丝流率为0.005ml/min,真空泵的抽气速率为6L/s时,能获得集束性能良好的静电纺纳米纤维束。当在纺丝液中添加0.6%的氯化锂后,纤维束的制取较纯的聚丙烯腈溶液容易。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 静电纺丝
• 1.1.1 静电纺丝的基本原理
• 1.1.2 静电纺丝的影响因素
• 1.2 静电纺中纳米纤维的形态
• 1.2.1 无序状纳米纤维与取向排列纳米纤维
• 1.2.2 螺旋状纳米纤维的制取
• 1.2.3 多孔纳米纤维与中空纳米纤维
• 1.2.4 其他新型静电纺丝装置
• 1.3 静电纺丝纳米纤维束或纳米纤维纱的制备
• 1.3.1 双电极法
• 1.3.2 水浴法
• 1.3.3 机械加捻法
• 1.3.4 其他制备方法
• 1.4 论文的研究思路及主要内容
• 第二章 滚筒法制备取向聚丙烯腈纳米纤维
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要材料与仪器
• 2.1.2 静电纺丝溶液的配置及工艺参数的设置
• 2.1.3 FE-SEM 形貌观察
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 滚筒转速对纤维直径的影响
• 2.2.2 滚筒转速对纤维沿滚筒旋转方向取向排列的影响
• 2.2.3 滚筒转速对纤维膜宽度的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章添加剂对取向聚丙烯腈纳米纤维的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要材料与仪器
• 3.1.2 结构表征与力学性能测试
• 3.1.3 试样的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 活性碳与氯化锂的加入对纤网形态的影响
• 3.2.2 活性碳与氯化锂的加入对静电纺取向纤维直径的影响
• 3.2.3 活性碳与氯化锂的加入对纤维取向排列的影响
• 3.2.4 活性碳与氯化锂的加入对纤维结构的影响
• 3.2.5 力学性能分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 漏斗型接收装置制备静电纺纳米纤维束的成形机理初析
• 4.1 静电纺丝射流运动形态
• 4.2 涡流纺纱原理
• 4.2.1 涡流场的形成
• 4.2.2 涡流纺纱成纱原理
• 4.3 漏斗接收装置的成型构思
• 4.3.1 漏斗型接收装置的构成
• 4.3.2 漏斗接收装置的接收过程初析
• 4.4 本章小结
• 第五章 静电纺纳米纤维束的制备与工艺探讨
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 主要材料与仪器
• 5.1.2 FE-SEM 形貌观察
• 5.1.3 静电纺丝工艺参数设置
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 纺丝距离对静电纺纳米纤维束制备的影响
• 5.2.2 纺丝流率对静电纺纳米纤维束制备的影响
• 5.2.3 抽气速率对静电纺纳米纤维束成型的影响
• 5.2.4 添加氯化锂后对静电纺纳米纤维束的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 致谢