纳米技术已经成为21世纪推动科技进步的主导力量之一,如何利用低能高效的方法制备各种特殊结构的纳米材料是纳米技术研究中的一个重要课题。纳米纤维作为一种一维纳米材料,因其具有直径小、比表面积大、孔隙率高等优良特性而极大地扩展了传统纺织工业的应用领域,而结构化纳米纤维制备技术的飞速发展将进一步推动纳米纤维新产品的开发,加速纺织科技进步与产业转型。本文首先回顾了近年来静电纺丝法、熔喷法和吹液法在制备纳米(超细)纤维上的发展历史以及研究现状,总结了三种纺丝方法的主要特点及潜在优势,同时指出它们进一步发展存在的问题。在深入分析气泡静电纺制备纳米纤维的独特优势以及气流在纺织加工应用中发挥巨大作用的基础上,本文首次提出了一种新型的纺丝方法——气流气泡纺。根据气流气泡纺的基本原理——利用一定温度和速度的气流通过克服聚合物溶液生成的气泡薄膜的表面张力,使气泡被拉伸破裂,其碎片射流在气流作用下被进一步拉伸并伴有溶剂挥发而形成纳米纤维的过程,本文研制了相关实验装置,并对四种聚合物(聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、丝素蛋白和聚酰胺)进行气流气泡纺实验验证并与静电纺丝进行了对比。结果表明:气流气泡纺得到的四种产物并不像静电纺丝得到的是由纳米纤维组成的纤维毡,而都是一种由多根超细或纳米纤维抱合而成的纤维集束体,类似于纳米纤维纱;此外,在四种产物中,聚酰胺纳米纤维及纤维束的直径最小、纺丝成形性最佳。为了研究气流气泡纺丝机理,本文首先分析了外界环境温湿度和气泡半径与气泡表面张力的关系,并改进了气泡的Young-Laplace方程,理论推导表明通过减小气泡的半径、在气泡外温度大于气泡内温度时,降低环境相对湿度和提高气泡外温度的方法可以降低气泡的表面张力,从而有利于获得更细的纤维;其次,本文利用高速摄像机拍摄了气泡在无气流场和有气流场作用时的动力学行为,发现气泡在破裂时,壁厚减小为最初的六分之一,而且射流在气流的作用下会在纺丝线处发生摆动,同时气泡破裂产生的多射流导致了最初纤维射流的分离,并在气流作用下完成了牵伸与抱合,形成了由纳米纤维抱合组成的纤维束;此外,本文在对气泡射流受力分析的基础上,初步建立了射流在气流场中的运动方程。为了研究纺丝工艺参数对气流气泡纺所得纤维直径及产品形貌的影响,本文选取了气流初始温度、气流初始速度、储液发泡管口径、纺丝距离和热气流喷管与储液发泡管间的夹角五种参数并进行了相关单因素实验。结果表明:气流气泡纺所得纳米纤维及纤维束的直径随着气流初始温度、气流初始速度和纺丝距离的增大而减小,但随着发泡管口径、气流与储液发泡管间夹角的增大而增大;通过方差分析,五种参数都是影响纳米纤维直径及纤维束直径的显著性因素。综合考虑可纺性、产物形貌与质量、能耗、设备加工难易程度与实验方便性,本文以所得产物的纳米纤维直径在400nm附近、纤维束直径在40μm左右的实验参数为依据,所得优化的参数为:气流初始温度为160℃,气流初始速度为40m/s,发泡管口径为10mm,纺丝距离为35cm,气流与储液发泡管间的夹角为40°。为了研究纺丝液性能对气流气泡纺所得产物结构与性能的影响,本文在优化工艺参数的基础上,首先配制了三种不同浓度的聚酰胺6/66纺丝液,并选择四种不同类型的表面活性剂——有机硅季铵盐、甜菜碱、吐温60和十二烷基苯磺酸钠,通过调整浓度与配比,分析了纺丝液以及表面活性剂在酸性体系下的表面张力和流变行为的变化情况,结果表明:在不加表面活性剂的情况下,纺丝液的表面张力和零剪切粘度都随着聚酰胺6/66浓度的增加而增大;添加不同浓度不同类型的表面活性剂后,纺丝液的表面张力和零剪切粘度都有不同的变化趋势。其中,非离子表面活性剂吐温60对纺丝液的表面张力和零剪切粘度降低程度最大,分别由41.08 m N/m降为33.38m N/m和由1.73Pa.s降为1.51Pa.s;其次,对不同浓度的PA6/66纺丝液以及添加不同浓度不同类型的表面活性剂所得纺丝液进行气流气泡纺丝实验,并对所得产物通过扫描电镜、红外光谱、X射线衍射进行结构分析以及通过热稳定分析和力学性能表征其相关性能。结果表明:在不加表面活性剂的情况下,所得纳米纤维及纤维束的直径、热稳定性和断裂强度都随着纺丝液浓度的增加而增大,但是其聚集态结构并没有明显变化;添加不同浓度不同类型的表面活性剂后,所得纳米纤维及纤维束的结构与性能都有不同的变化趋势,但并无明显统一的规律。综合分析,可以发现当选择12%PA6/66、1.5%吐温60时,所得纳米纤维束的形貌结构与综合性能最佳,此时纳米纤维直径为317.8±54.8nm,纤维束直径为18.6±1.5μm,热分解温度为439.7℃,断裂强度和初始模量分别为6.51±0.47MPa和17.49±1.34MPa,而断裂伸长率为24.67±2.18%。为了进一步提高和改善聚酰胺6/66纳米纤维束的性能,本文将不同质量分数的多壁碳纳米管(MWCNTs)经不同方式处理后加入到PA6/66溶液中,首先探讨了混合纺丝液的性质变化情况,结果发现,经过吐温60/超声波处理的MWCNTs比仅用超声波处理和无处理的MWCNTs加入纺丝液后的表面张力都低,零剪切粘度最小而且分散性最好,溶液稳定时间最长。其次考察了不同MWCNTs浓度在不同处理方式下对所得复合纳米纤维束结构和性能的影响,结果表明:所得复合纳米纤维及纤维束的直径都比纯PA6/66的大,并且纳米纤维和纤维束的直径都随着MWCNTs质量分数的提高而增大;但在相同MWCNTs浓度不同处理方式下,吐温60/超声波处理的0.5%MWCNTs所得的复合纳米纤维及纤维束的直径最小,分别为284.4±53.4nm和40.4±5.3μm;而所得复合纳米纤维束的聚集态结构并没有因为MWCNTs的加入及其处理方式不同而有明显变化。添加MWCNTs后,复合纳米纤维束的热稳定性、力学性能和电学性能相比纯PA6/66都有较大提高,其中当MWCNTs的浓度为1.5%时,由吐温60/超声波处理后所得复合纳米纤维束的性能最优,此时热分解温度提高了38.5℃,断裂强度和初始模量分别增大了196.88%和80.91%,而断裂伸长率降低了17.27%,但电导率从10-13 S/m提高为10-6S/m,增大了7个数量级。总之,气流气泡纺是一种短流程的制备纳米纤维及纤维束的方法,通过对气流气泡纺丝技术及其机理进行研究,有助于揭示聚合物气泡在气流场作用下的动力学行为与成纤机理。此外,对于今后进一步设计与改进气流气泡纺丝方法与设备,实现高性能纳米纤维纱的一步法连续性生产,具有重大的理论价值和现实意义。