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静电纺丝技术是目前制备超细甚至纳米纤维最简单也是最有效的方法之一。由于静电纺丝制备的纳米纤维具有直径小、比表面积高等优良特性,在纺织服装、医疗与卫生健康、环境工程、生物科技、军事和能源等领域具有广阔的应用前景。但目前静电纺丝装置制备的纳米纤维主要以纤维任意分布的非织造布形式存在,限制了纳米纤维的应用范围。纳米纤维纱线使纳米纤维由无序结构向有序排列方向发展,可用于神经再生、组织工程、纤维增强材料和纺织服装等领域,扩大了纳米纤维的应用范围,因此已逐渐成为近年来国内外相关研究领域的热点之一。 本文首先分析了静电纺丝法制备纳米纤维束的研究现状,总结了现有装置及方法的优点和不足,发现目前双喷头加转盘法静电纺丝技术能够制备连续的纳米纤维纱线且设备简单,但缺乏系统深入的研究。为了系统探索双喷头加转盘法静电纺丝技术制备连续的纳米纤维纱线中工艺参数对成纱的影响,本文在自制静电纺纱接收装置的基础上,搭建了双喷头加转盘法静电纺丝装置,并研究了溶液浓度、电压、两针头间距离、转盘转速和收集速度等工艺参数对射流成纱过程和纳米纤维纱线性能的影响。结果发现,在制备聚丙烯腈纳米纤维纱线时,溶液浓度为8%,电压为9kV,两针头间距离为16cm,两针头间角度为80°,针头-转盘距离为8cm,转盘转速为1500r/min,收集速度为2m/min,可以获得能够连续成纱的纳米纤维纱线。 为了进一步改善纱线毛羽,提高纱线的力学性能,本文对制备得到的纳米纤维纱线进行热水浴处理,探讨水浴温度和牵伸倍数对纱线性能的影响。实验结果表明,100℃水浴直接处理,纱线毛羽减少,强力增大;在该水浴中分别进行2倍和3倍牵伸后,纳米纤维纱线表面光滑,毛羽明显减少,纱线中纤维伸直和有序排列状态变好,直径减小,强力提高。 为了探究纺丝过程中纳米纤维成纱的机理,本文利用COMSOL Multiphysics软件对静电纺丝区的静电场进行模拟,探讨了电压、两针头间距离、针头-转盘距离、两针头间角度的变化对电场的影响。结果表明,当电压增大时,纺丝区域整体场强增大,当两针头间距离增大时,纺丝区域整体场强明显减小,当两针头间角度增大时,纺丝区最大场强增大,而针头-转盘距离对电场分布的影响很小。上述模拟结果与实验现象吻合较好,说明电压和两针头间距离对纺丝区场强影响最大,继而影响纳米纤维成纱。 本文的研究为认识和理解静电纺纳米纤维工艺提供了理论和实验支撑,对于纳米纤维纱线的连续性加工和性能提升具有借鉴作用,为设计和制造静电纺纳米纤维纱线设备,实现工业化生产提供了实验基础和理论依据。