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静电纺丝中稳态射流的建模仿真与实验研究

钟园园  
【摘要】: 静电纺丝是一种目前比较流行制造纳米纤维的简单方法,以其设备简单、操作容易、材料来源广泛、工艺过程不破坏材料本体等特性已经成为当前研究纳米纤维制造的热点。静电纺丝技术已经被应用于制备多种天然及人工合成材料纳米纤维。静电纺丝所制得的纳米纤维具有直径小、比表面积大等优点,在生物医学、空气过滤、防护衣物等领域都有着巨大的应用潜力。随着电纺丝技术研究的日益深入,电纺丝过程的精确控制已经成为静电纺丝技术推广应用的关键,这对电纺丝机制等方面的理论研究也提出了更高的要求。但电纺丝过程复杂、参数多样化,纺丝机制和控制理论尚未得到很好的解决,是静电纺丝技术研究的一大难题。 本文针对电纺丝稳态射流的形成及变化规律开展研究工作,分析电纺丝射流的受力情况,建立了仿真模型分析主要工艺参数对射流形态(主要指射流半径)的影响,并通过实验验证了稳态射流分析模型。论文研究工作包括以下几部分: 通过文献资料的查阅和分析,对静电纺丝理论研究的国内外发展现状进行了归纳总结;基于电液动力学、流变学及电磁场理论对电纺丝射流形成和变化的物理过程及变化规律进行了分析,引入漏流介电质模型和细长体模型两个理论建立了稳态射流仿真模型;对仿真模型各参数进行了无量纲处理和模型化简;文中采用初值求解代替边值求解的方法简化了仿真模型的求解过程;通过数值仿真研究了纺丝电压、纺丝距离、纺丝液流量及溶液性质等因素对电纺丝稳态射流变化行为的影响,并利用甘油静电纺丝实验数据验证了分析模型的准确性;通过实验研究和仿真分析分别研究了PEO溶液静电纺丝过程稳态射流的形态与变化规律。 研究结果表明,稳态射流分析模型可以较好地反映出甘油和PEO溶液电纺丝过程的射流形成和变化规律,对于加深理解静电纺丝射流形成变化规律和提高控制水平都将有较好的指导作用。


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