多针头静电纺丝的数值模拟研究

来源 :东华大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:xgimi1985
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静电纺丝是一种制取纳米纤维简单而经济的方法。采用电场力作为拉伸力是静电纺丝和传统干湿法纺丝最大的不同之一,静电纺丝喷头的电场分布影响了射流的形成和运动轨迹,因此研究静电纺丝的电场是很必要的。最近国内开始了多针头静电纺丝的研究,但其缺陷是在纺丝过程中,其它针头的引入会引起原有针头局部电场的下降。本文利用COMSOL Multiphysics软件对静电纺丝针头的电场进行模拟,能够简单而直观地显示出电场的分布,进而全面深入地分析场强对纤维形成的影响,为工业化生产静电纺纳米纤维提供参考。本文从模拟传统单针头静电纺丝的电场出发,建立几何模型,施加激励源后得到电场分布图,分析等位线和电场强度矢量图以及电场强度云图,结合电流体力学理论,得出液滴锥尖处具有最大的表面电荷密度和电场强度,电场力最先在此处克服溶液的表面张力而喷出射流。采用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对多针头静电纺丝过程中的电场场强大小与分布进行了模拟分析,对过程参数如纺针数量、直径、长度、间距以及电压对各针场强大小与分布的影响进行了系统研究,以探寻过程参数对场强分布的影响和出现“边缘效应(end effect)”的理论依据。结果发现,对于单针头静电纺丝,场强峰值出现在针尖部位,而在线性排列的多针头静电纺丝中,中间纺针的场强受到抑制变小,场强峰值出现在两侧纺针的针尖外侧,从而导致“边缘效应”现象。此外,随着纺针数量、直径和长度的增加,两侧纺针场强峰值下降显著,而电压的增大和接收距离的减小则使场强峰值明显增大。然而,静电纺丝产量低是这种技术从实验室走向产业化生产及应用的最大障碍。本文通过静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维,主要研究材料制备过程中施加电压、接收距离、纺针间距等因素对纳米纤维形貌、尺寸、均匀度等特性的影响。采用的表征手段主要是扫描电子显微镜(SEM),同时借助于数字电导仪、Image-Pro Plus软件等来分析直径及其分布规律,通过扫描电子显微镜来观察纤维丝的形貌,通过能够表征直径分布的直条图直观的看出直径分布规律。
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