电纺射流中拉伸粘性的作用机制和规律的研究

Conventional electrospinning theory values shearing viscous effect while electrospinning experiment experiences obviously elongational deformation. Elongational viscous effect is introduced into electrospinning to resolve the contradiction. This project investigates the mechanism and law of elongational viscous effect and breaks through the research state of undiscovered deformation law, unknown velocity distribution, and uncertain whipping characteristic in electrospinning. . Firstly, the elongational viscosity of electrospinning solution is tested after developing an elongational viscometer. The relation between elongational stress and strain rate is discovered to determine the deformation law of electrospinning jet. Secondly, the electrohydrodynamics of electrospinning jet is discussed after solving the dynamic equations. The elongational viscous mechanism of jet is discovered and the velocity distribution of jet is determined. Lastly, the perturbation theory of whipping is researched after setting up the dispersion equation. The elongational viscous law of jet is discovered to determine the whipping characteristic of jet. . The applicant investigates the critical state for the formation of electrospinning jet in advance. The model of Taylor cone is amended after taking elongation viscous effect into consideration. More researches need to be further expanded. The results establish foundations to control the movement of electrospinning jet.

针对电纺理论重视剪切粘性作用、电纺实验存在显著拉伸变形的矛盾现象，引入拉伸粘性作用，系统地研究其在电纺射流运动中的作用机制和规律，突破电纺研究中射流变形规律不明、速度分布未知、鞭动特征不定的研究现状。. 项目研究电纺溶液的拉伸粘度，试制拉伸粘度仪，揭示射流的拉伸应力－应变率关系，确定射流的变形规律。研究射流的动力学行为，求解动力学方程，揭示射流运动中拉伸粘性的作用机理，确定射流的速度分布。研究射流鞭动时的扰动理论，建立色散方程，揭示鞭动时拉伸粘性的作用规律，确定射流的鞭动特性。. 申请者前期研究了射流形成的临界状态，首次引入拉伸粘性作用后，修正了泰勒锥模型。更多的研究有待进一步地展开。研究成果为控制电纺射流运动奠定理论基础。

本项目主要研究了聚合物溶液拉伸流变性能对静电纺丝的作用机制和规律。实验表明，静电纺丝过程中存在着极度的拉伸过程，电纺射流从初始的亚毫米级拉伸至纳米级。这种拉伸流动是沿着轴向伸长、径向收缩的单轴拉伸流，径向收缩速率是轴向拉伸速率的一半。 基于溶液的拉伸流变效应，考虑到气液自由界面的电液应力平衡关系，推导得到了电纺射流在初始泰勒锥段的界面平衡方程，从而确定电纺过程中极限状态下最大泰勒锥半角为51.80。进一步将三维自然坐标系应用于流体流动中以表征电纺射流的运动轨迹，由此可获得电纺射流在空间鞭动的动力学方程组。该方程组由拉伸、离心和扭转运动方程组成，分别表征着电纺射流的拉伸率、曲率与扭转率，控制着电纺纤维的均匀度、沉积面积与空间的旋转方向。同时，实验表明，电纺射流的不稳定鞭动现象，是由于射流尾端中的残余电荷通过同性电荷排斥作用产生的反向行波过程。根据射流的拉伸方程，可建立射流鞭动时的色散方程，从而可以得到不稳定射流的波长、波数、空间增长率等不稳定参数。研究结果为实现电纺射流的运动控制和有序沉积提供了理论依据。