基于“火山口”状泰勒锥的静电纺丝方法及其机理研究

本项目针对传统静电纺丝方法中微纳米纤维产量偏低的不足，在气泡静电纺丝方法基础上，提出一种"火山口"状溶液隆起作为泰勒锥的新方法，并对其纺丝机理进行研究。首先研究不同高分子溶液条件下"火山口"状隆起几何特征与溶液粘度、表面张力和气压等关系，建立"火山口"状隆起的形成条件。接着结合高速摄影技术研究"火山口"状泰勒锥的临界纺丝条件，特别是研究其临界锥角、临界电场强度与溶液粘度、表面张力、介电常数等之间的关系。然后着重于该泰勒锥静电纺丝的实验和理论研究，通过建立其射流喷射的力学模型和边界条件，并提出合理的射流运动轨迹的动力学方程，从而揭示其纺丝机理。本项目的目的是通过理论并结合实验研究来建立完整的"火山口"状泰勒锥的临界纺丝条件、射流发射力学模型以及同一静电场中多射流的运动轨迹方程，最终为设计和制造新型静电纺丝方法和设备，提高静电纺微纳米纤维产量提供实验基础和理论支持。

静电纺丝技术是目前公认的制备纳米纤维的最基本也是最重要的方法之一，其纳米纤维目前已在纺织服装、生物技术、医疗、能源、环境等多个领域获得成功应用。自由液面静电纺丝方法是批量化制备纳米纤维的主要方法之一。本项目首次提出了一种以“火山口”状溶液隆起作为泰勒锥的新型自由液面静电纺丝方法，并获得自主知识产权。为了揭示“火山口”状泰勒锥静电纺丝的机理，本项目首先利用响应面法对该静电纺丝工艺参数进行了优化，获得了气压、电压、距离等参数对“火山口”状泰勒锥形成及静电纺丝过程的影响。在此基础上，基于伯努利方程和理想气体方程等流体力学有关理论，建立能够形成稳定的“火山口”状泰勒锥的气压与溶液性质之间关系模型，即泰勒锥形成的普适公式。其次，本项目建立了“火山口”状泰勒锥的数学模型，阐明了气压、溶液粘度、溶液深度等对“火山口”状泰勒锥形成的影响；并利用VOF和LS等相结合的计算方法对“火山口”状泰勒锥的形成过程、动态形变及气流场分布进行了数值模拟和实验验证研究。为了进一步探究“火山口”状泰勒锥静电纺丝过程，本项目利用ANSYS有限元分析软件对“火山口”状泰勒锥静电纺丝的电场分布进行了数值模拟与实验，实验结果与理论结果一致。最后，本项目建立了静电纺丝过程中带电射流的电磁场模型，推导出射流在静电场中运动的轨迹方程。此外，本项目还研究了静电纺纳米纤维在微湿传感器、气相传感器及纳米纤维纱线等领域的应用，为纳米纤维的应用拓展提供了理论与实验基础。通过本项目的研究，发现“火山口”状泰勒锥静电纺丝技术在纳米纤维规模化制备方面潜力巨大，为发展新型静电纺丝技术提供了一种新的思路。本项目的研究成果可为设计和制造新型静电纺丝方法和设备，提高静电纺微纳米纤维产量提供实验基础和理论支持。