高密度射流电纺喷射行为与多场调控机制研究

Electrospinning has become one of the great potential organic micro/nano fabrication technologies. The requirement of stable high-density jet and uniform nanofiber efficient manufacturing is the biggest obstacle for the industrial application of electrospinning technology. In the proposal, outer flow has been proposed to avoid the interferences among multi charged jets. This project focuses on a series of basic scientific problems on ejection behaviors and multi-field controlling for high-density electrospinning jets. The ejection behaviors and controlling rules of high-density jets under the coupling of multi physical fields is studied，such as outer flow field, electrical field, stress field and temperature field. The main research contents are as follows: fluctuation behaviors and competition mechanism of electrospinning; the ejection controlling laws of high-density jets; the effect of outer flow on the humidity and electrical field strength; liquid-gas and liquid-solid interface characteristics, rheology and tensile behaviors of charged electrospun jets; diameter and surface evolution law of charged jets; build up dynamic simulation model to investigate the control strategy of motion and deposition of electrospun nanofiber. The efficient manufacturing and controllable deposition of uniform ultrafine nanofiber can be realized by this project. This project would provide theory and technology foundations to accelerate the industrial application of electrospinning technology in the fields of micro/nano system, as well as enrich the contents of the multi field coupling control mechanism.

静电纺丝以其独特优势已成为最具潜力的有机微纳制造技术之一；实现高密度射流持续、稳定喷射，高效制造均匀纤细纳米纤维是制约静电纺丝产业化应用的关键。项目引入外流场克服纺丝射流间的干扰，针对高密度射流电纺喷射行为与多场调控机制等一系列科学问题展开研究。研究多物理场耦合作用下高密度纺丝射流的喷射行为和调控规律；阐明外流场、电场、应力场、温度场等多物理场的耦合作用下溶液的波动机理，明确高密度射流产生、喷射机制；探明外流场对多射流喷射微环境湿度、电场的作用规律；明确外流场约束作用下，带电纺丝射流气-液、气-固界面特性和流变拉伸行为；掌握纺丝射流直径和表面形貌的演变机制；构建多射流喷射动力学仿真模型，获得射流运动拉伸和定位沉积控制策略，以实现纤细纳米纤维的高效喷射和可控沉积。通过项目研究为电纺一维纳米结构在微纳系统中的应用发展提供理论和技术基础，进一步拓展多场耦合调控机制研究内涵。

静电纺丝纳米纤维以其独特优势表现出巨大应用潜力，高密度射流持续、稳定喷射以及高效均匀纤细纳米纤维制备是制约静电纺丝产业化应用的关键。项目引入外流场克服了纺丝射流间的干扰，针对高密度多射流电纺喷射行为与多场调控机制等一系列科学问题展开了研究。项目建立了多物理场耦合仿真模型，研究了外流场的空间分布规律，分析了流场与带电射流之间的相互作用，讨论了鞘层气流的聚焦作用，研究了射流表面和电荷的演变规律，从仿真结果可看出鞘气流场在喷嘴下方形成稳定层流，对纺丝溶液具有聚焦、约束作用。优化了鞘层气体流道设计和空间分布，构建了带有鞘气外流场约束的高密度射流静电纺丝喷头，完成了纺丝喷头的设计开发，搭建了多射流高效喷射和可控沉积系统实验平台。优化了空间电场、流场分布，完成了纳米纤维高效喷射系统的设计、开发，建立了控制策略及控制算法，实现了射流喷射的自动控制。开展了多物理场耦合作用下多射流喷射实验，研究了溶液的电学特性和流变行为，明确了带电喷嘴间相互约束作用机制；分析了外流场对溶液流变的拉伸作用，获得了射流喷射临界条件，探索了高密度射流喷射控制策略；分析了射流电荷排斥力、电场力、射流应力对射流鞭动幅值、频率的影响规律；研究了射流鞭动-拉伸细化的关系，分析了外流场对带电射流拉伸作用，获得了多射流直径随喷射时间与喷射距离的演变规律；建立了多射流直径调控策略、促进了射流的充分拉伸细化，增强了电纺纳米纤维的均匀性，实现了平均直径100nm~500nm电纺纳米纤维膜的均匀成型。探究了电纺均匀纳米纤维膜在锂电池隔膜、离子交换膜等方面的应用，静电纺丝纳米纤维以其直径小、比表面积大、成膜孔隙率高等优势表现出了优异性能。通过项目研究为电纺纳米纤维结构在微纳系统中的应用发展提供了理论和技术基础，可进一步拓展多场耦合调控机制研究内涵，推动静电纺丝技术的产业化应用进程。..