高速气流场对聚合物溶液射流超细拉伸成形机理研究

纳米纤维在众多领域已显示出广阔的应用前景，但目前纳米纤维的制备效率较低，已成为制约其进一步发展的瓶颈。基于熔喷技术发展起来的聚合物溶液喷射纺丝技术为纳米纤维的规模化生产提供了新的研究思路，其主要原理是利用多股收敛的高速气流对成纤聚合物溶液射流进行超细拉伸并使之脱溶剂化生成纳米纤维。本项目将对聚合物溶液射流在高速气流场中的超细拉伸成形过程进行深入研究，主要内容包括聚合物溶液连续射流的形成条件与模式、射流溶剂蒸发与扩散的非平衡态热力学模型、气流拉伸力学模型与数值模拟，并利用实验进行验证，以明确射流在高速气流场的演变历程及纤维形态的调控机制。通过项目的实施，将建立溶液喷射纺制纳米纤维的过程理论，促进纳米纤维规模生产技术的发展，具有重要的理论和工程实践意义。

纳米纤维的优异性能和高比表面积使其在诸多领域表现出了广阔的应用前景，纳米纤维高效制备方法成为研究热点之一。基于熔喷技术发展起来的溶液喷射技术已表现出诸多优势。本研究旨在明晰溶液喷射纺纳米纤维的过程理论，为溶液喷射纺丝技术的工程化提供理论指导。项目首先研究了高速气流对聚合物溶液细流的演变规律，继而结合高速气流场模型建立了聚合物溶液拉伸模型，并对拉伸模型进行了数值模拟，探讨了溶液射流的变形机制及纳米纤维成形规律，并利用实验进行了验证。进而，项目设计了多喷孔溶液喷射纺丝模头，优化设计了溶液喷射纺丝系统，可实现纳米纤维的宏量制备，对新型溶液喷射纺丝技术的工程化具有重要的理论和工程实践意义。.在项目的执行中，发现溶液喷射纺纳米纤维与静电纺纳米纤维具有明显的形貌差异，呈现三维卷曲形态。项目针对这一特征，项目基于Hass模型建立了纤维卷曲特性的表征方法；开展了纤维的卷曲结构及其穿透性能研究，并延伸研究了溶液喷射纳米纤维在过滤材料、电极材料、质子交换膜等方面的应用研究，表明其在相关领域的潜在应用前景。