电纺Taylor锥及射流诱导行为规律研究

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纳米纤维在过滤、锂电池隔膜、催化和微纳传感器等领域应用广泛,市场需求巨大。基于电液动力学的传统静电纺丝技术的纳米纤维产量极低与当前强劲需求矛盾巨大,且现有批量电纺制造技术存在效率较低、孔管易堵塞、驱动电压高、喷头表面溶液易固化和难以清洗等缺陷,论文通过对传统静电纺丝泰勒锥形成过程及液体薄膜运动过程的系统分析,提出一种针尖诱导纳米纤维宏量电纺方法,即强电场下针尖诱导水平自由液面预制泰勒锥进而在顶端形成射流并最终实现纳米纤维批量制备。验证实验表明该技术具有驱动电压低、无喷射头、易扩展、能连续生产等优点。  利用搭建的实验平台开展了针尖诱导电纺实验研究。考察了单针尖诱导电纺过程中泰勒锥形成与变化规律,结果表明,当施加电压小于25kV时泰勒锥产生后其体积始终处于逐渐减小状态,且存在时间少于3s;当电压大于40kV时泰勒锥可保持稳定状态且持续时间可达20s以上;利用3×10的针尖阵列诱导产生的多射流喷射时间一般少于2.2s,且易出现直线段射流较长、射流间相互排斥问题;探索了电纺参数如电压、溶液粘度、极板间距等对单位面积射流数目的影响规律;还探究了电极间距、电压、溶液浓度等参数对纳米纤维的影响。  此外,论文尝试了一种非接触诱导纳米纤维批量制造技术,将一绝缘棒置于水平自由液面表面,使其在电场中极化引起局部电场增强并诱导液面形成泰勒锥及其顶部射流,当绝缘棒移走时,在电场力的作用下射流被拉伸形成高速喷射射流,并最终转变为纳米纤维。仿真结果显示,在强电场中绝缘棒被极化后局部电场强度提高一倍,溶液流动速度可达1m/s;实验发现,临界喷射电压阈值会随着电极间距和溶液浓度的增加而升高;提高施加电压后产量可达5.03g/h,是传统电纺产量的251倍;周围环境湿度增大、易挥发溶剂占比越小纤维直径会越小,但纤维直径会随着溶液浓度的增加而增大。
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