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无针静电纺丝技术工业化进展

塑料 2017年第2期46卷 1-4,12页

作者：张艳萍张莉彦马小路何万林杨卫民李好义北京化工大学机电工程学院北京100029

简单介绍了无针静电纺丝基本原理、工艺特点及研究进展;概述了无针静电纺丝装置的基本类型,根据射流激发形式不同,无针喷头可分为旋转喷头和静止喷头两大类;重点介绍了近年来逐步发展起来的工业化无针静电纺丝技术及装备,比如纳米蜘蛛... 详细信息

简单介绍了无针静电纺丝基本原理、工艺特点及研究进展;概述了无针静电纺丝装置的基本类型,根据射流激发形式不同,无针喷头可分为旋转喷头和静止喷头两大类;重点介绍了近年来逐步发展起来的工业化无针静电纺丝技术及装备,比如纳米蜘蛛技术、气泡静电纺丝技术、狭缝表面静电纺丝技术、熔体微分静电纺丝技术;其中,熔体微分静电纺丝不使用溶剂,是一种绿色制造技术,而且不存在溶剂挥发,生产效率高,对于实现工业化连续生产超细纤维具有很大潜力。对未来无针静电纺丝工业化生产的研究重点提出了个人的见解,对于无针静电纺丝技术,射流原理、纺丝过程控制方法和纺丝工艺参数的优化还需更深入研究,同时工业化生产系统要综合考虑到成本、效率、质量和安全等问题。

关键词：无针静电纺丝纳米纤维工业化无针旋转喷头无针静止喷头熔体微分静电纺丝

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高效无针静电纺丝研究进展

纺织导报 2014年第1期 64-67页

作者：王飞龙邵珠帅苏州大学机电工程学院

静电纺丝纳米纤维具有优越性能,在众多领域均有应用价值。由于传统针式静电纺丝效率较低,电纺纳米纤维并未在实际中得到应用。无针静电纺丝作为一种新型电纺方式,具有较高的纳米纤维生产效率。本文主要介绍近年来无针静电纺丝技术的研... 详细信息

静电纺丝纳米纤维具有优越性能,在众多领域均有应用价值。由于传统针式静电纺丝效率较低,电纺纳米纤维并未在实际中得到应用。无针静电纺丝作为一种新型电纺方式,具有较高的纳米纤维生产效率。本文主要介绍近年来无针静电纺丝技术的研究进展。

关键词：无针静电纺丝纳米纤维产业化

螺旋型自由液面多射流静电纺丝机理及工艺分析

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棉纺织技术 2024年

作者：郭皓赵旭陈笑笑范高辉靳需岭东华大学中原工学院河南省服装研究所有限公司

为了提高纳米纤维的产量，提出了一种螺旋型自由液面多射流静电纺丝技术，对螺旋丝杆的形状、不同间距、电压和产量进行了研究。利用有限元的方法模拟了电极几何形状和不同丝杆间距对电场分布的影响和试验验证。结果表明：相同电压下螺... 详细信息

为了提高纳米纤维的产量，提出了一种螺旋型自由液面多射流静电纺丝技术，对螺旋丝杆的形状、不同间距、电压和产量进行了研究。利用有限元的方法模拟了电极几何形状和不同丝杆间距对电场分布的影响和试验验证。结果表明：相同电压下螺旋丝杆电极电场强度高于圆柱棒状电极，当螺旋丝杆电极间距为210 mm时，纤维之间的干扰现象基本消失，提高了纳米纤维的产量，验证了螺旋丝杆电极静电纺丝的可行性。相同参数下使用螺旋丝杆电极制备的聚丙烯腈（PAN）纤维膜平均直径可达到170.4 nm，产量高达6.37 g/h，对于聚酰胺酸（PAA）纤维膜平均直径可达到200.5 nm，产量也可达到6.02 g/h。该螺旋丝杆无针静电纺丝装置为实现均匀纳米纤维的大规模生产提供了一种新的方法。

关键词：无针静电纺丝纳米纤维 COMSOL 产量螺旋丝杆

聚合物熔体微分静电纺电场对射流的影响及其物理模型

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纺织学报 2022年第5期43卷 70-76页

作者：陈明军李好义杨卫民中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030006 北京化工大学机电工程学院北京100029

为研究电场强度及接收装置材质对无针静电纺丝射流效率和射流分布均匀性的影响,在提出的熔体微分直线静电纺丝装置上,通过改变纺丝电压和接收装置材质,分析了喷头端最大电场强度和电离电荷对射流效率及均匀性的影响。结果表明:喷头端电... 详细信息

为研究电场强度及接收装置材质对无针静电纺丝射流效率和射流分布均匀性的影响,在提出的熔体微分直线静电纺丝装置上,通过改变纺丝电压和接收装置材质,分析了喷头端最大电场强度和电离电荷对射流效率及均匀性的影响。结果表明:喷头端电场强度越大,射流效率越高,射流分布越均匀;当接收端的局部电压高于喷头端的电压时,电离离子宏观上表现出向喷头端运动,会抑制射流的形成;在高压收集端铺设电阻值为2.7×10^(5)Ω的纸,可以实现电离电荷的二次均匀分布,消除局部离子流引起的射流缺失现象;在接收装置上铺设电阻值大于1.0×10^(11)Ω的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)会增加纺丝回流的电阻,导致电荷在PET上聚集,反作用削弱喷头端的电场强度,引起射流效率的降低。

关键词：无针静电纺丝高压静电纺丝电极材质电场强度电离电荷射流效率

多孔曲面静电纺丝喷头研制及其直径双峰分布微纳米纤维可控制备

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多孔曲面静电纺丝喷头研制及其直径双峰分布微纳米纤维可控制备

作者：王亦涵东华大学

学位级别：硕士

近年来,具有先进功能的微纳米纤维在分离过滤、生物工程、纺织服装等领域掀起一股研究热潮。其中静电纺丝凭借原理简单、材料选择广泛等优势,在众多制备技术中备受瞩目,由最初的单针头装置拓展到产业化静电纺丝技术,解决了针头易堵塞、... 详细信息

近年来,具有先进功能的微纳米纤维在分离过滤、生物工程、纺织服装等领域掀起一股研究热潮。其中静电纺丝凭借原理简单、材料选择广泛等优势,在众多制备技术中备受瞩目,由最初的单针头装置拓展到产业化静电纺丝技术,解决了针头易堵塞、微纳米纤维产率低等难题,相关突破成果不断。然而在产业化静电纺丝技术的探索中,有关多射流形成控制和纤维成膜特性的研究不够完善,导致微纳米纤维膜存在结构简单、附加值低等不足,限制其在先进功能领域的应用。基于此,本课题研发一种新型静电纺丝喷头,通过设计小孔结构来改变纺丝液膜厚度,进而控制电场分布和多射流形成状态,在稳健提升纤维产量的基础上,实现直径双峰分布微纳米纤维的可控制备。首先,利用ANSYS Maxwell软件对不同几何参数的多孔曲面喷头模型进行电场仿真,确定最优尺寸为:球体直径7 cm,表面分布3圈小孔,每圈均匀分布6个。其中小孔的上底面直径为8 mm,下底面直径为6 mm,深度为3 mm,倒角度数30°。仿真结果表明,小孔处的薄液面在电场作用下会积累较多的电荷,形成较高的电场强度。纺丝实验证明,多孔曲面喷头具备批量化生产微纳米纤维的能力。其次,基于电流体动力学等理论,构建射流电学模型,研究带电液膜厚度与电场分布的关系,以及纺丝射流直径与电场力间的规律,阐明多孔曲面喷头的出丝机理和双峰分布纤维的形成依据。之后分析施加电压、聚丙烯腈(PAN)溶液浓度对纤维直径分布的调控作用。结果表明,当PAN浓度为14-16 wt%时,多孔曲面喷头成功制备出清晰的双峰分布结构纤维膜。增大施加电压,纤维直径的双峰位置向直径减小方向偏移;增加溶液浓度,纤维直径的双峰位置向直径增大方向偏移。最后,设计二次通用旋转组合实验,构建双峰分布微纳米纤维膜断裂强度和产量的二次回归方程,优化工艺条件的交互作用。结果表明,当溶液浓度为14.71wt%,施加电压为48.65 k V,喷头转速为1.00 r·min时,纤维膜断裂强度最优值为1.71 MPa;当溶液浓度为15.48 wt%,施加电压为51.98 k V,喷头转速为0.99r·min时,纤维膜产量最优值为31.42 g·h。之后利用多孔曲面喷头和球形喷头进行纺丝实验,探究两种纤维膜结构对孔径分布、过滤及透气性能的影响。结果表明,与窄分布纤维膜相比,双峰分布纤维膜的平均孔径小,孔径分布广;溶液浓度为16 wt%时,双峰分布和窄分布纤维膜的过滤效率分别损失至97.14%和96.07%,但前者的过滤阻力显著降低至57.86 Pa,品质因数达到0.0614 Pa,过滤性能更优;双峰分布结构增大了气体通过纤维间的运动路径,赋予纤维膜最优透气量为473.81 mm/s。

关键词：无针静电纺丝有限元分析纤维双峰分布工艺优化

无针电纺空气过滤用尼龙66复合纳米纤维膜的研究

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化工新型材料 2023年第9期51卷 96-101,108页

作者：刘泽鑫时志文张维闫晓宇王汉青谢东南华大学土木工程学院衡阳421000 南华大学建筑环境气载污染物治理与放射性防护国家地方联合工程研究中心衡阳421000 南华大学长三角研究院(诸暨) 绍兴311800 杭州龙碧科技有限公司绍兴311800 中南林业科技大学土木工程学院长沙410004

为减少空气污染带来的危害,使用无针静电纺丝设备制备了PA66/SiO_(2)、PA66/GO复合纳米纤维过滤膜。研究了不同浓度的SiO_(2)、GO对复合纳米纤维膜形貌、孔径分布、强度及过滤性能的影响。结果表明:当SiO_(2)浓度为20%时,复合膜的过滤... 详细信息

为减少空气污染带来的危害,使用无针静电纺丝设备制备了PA66/SiO_(2)、PA66/GO复合纳米纤维过滤膜。研究了不同浓度的SiO_(2)、GO对复合纳米纤维膜形貌、孔径分布、强度及过滤性能的影响。结果表明:当SiO_(2)浓度为20%时,复合膜的过滤性能最佳,对0.3μm NaCl气溶胶颗粒的过滤效率达99.84%,阻力122.85Pa,品质因子为0.0524Pa^(-1),相比较于未改性品质因子提升了36.8%。而当GO浓度为0.3%时,复合膜拉伸性能最好,断裂强度和断裂伸长率分别为7.52MPa和47.05%,相比较于未改性,分别增加了88.47%和22.85%。

关键词：无针静电纺丝空气过滤二氧化硅氧化石墨烯尼龙66

PA66纳米纤维膜辐射特性调整及纤维膜外遮阳节能性能模拟

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PA66纳米纤维膜辐射特性调整及纤维膜外遮阳节能性能模拟

作者：李坤伦南华大学

学位级别：硕士

为满足建筑节能要求,被动式辐射冷却现象得到了关注,针对目前国内提出的建筑节能要求与环境污染问题日益严重的现象,辐射冷却通过自发向外太空辐射能量而实现降温,是一种能源节约、环境友好的建筑室内降低制冷能耗的方式。辐射冷却纤维... 详细信息

为满足建筑节能要求,被动式辐射冷却现象得到了关注,针对目前国内提出的建筑节能要求与环境污染问题日益严重的现象,辐射冷却通过自发向外太空辐射能量而实现降温,是一种能源节约、环境友好的建筑室内降低制冷能耗的方式。辐射冷却纤维膜在建筑方面不仅可以用于新建节能建筑,还可用于既有建筑在制冷季作为与空调系统联动的一个装置降低运行能耗。本文将基于无针静电纺丝工艺批量化制备PA66纳米纤维膜,结合纤维形貌学和光学检测优化各参数,并借助简易的实验装置测试纤维膜的冷却性能,最后将纤维膜的辐射特性提取出来并以数值模拟的方式分析纤维膜外遮阳的节能效果。第一部分以全面实验的方法分别讨论了不同往复轴速度、基材速度、接受距离和电纺电压对于纳米纤维形貌和纤维膜表面的影响,并确定了可以稳定制备出纤维直径分布集中的电纺参数为:往复轴速度200mm/s,接收距离235mm,电纺电压75k V;第二部分采用均匀实验的方法统一研究了不同种类无机物微粒(Si O&Ti O)的不同浓度和基材速度对纳米纤维膜辐射特性的影响。其中对0.2-2.5μm范围内纤维膜的UV-Vis-NIR图谱采用《JG/T235-2014建筑反射隔热涂料》中计算太阳光反射比的公式进行计算分析并作为特征值进行一次回归线性拟合分析微粒浓度和基材速度对纤维膜反射率的影响;8-13μm范围内纤维膜的红外光谱以Si O在9μm左右时的吸收峰的透射率强度为特征值进行一次回归线性拟合分析微粒浓度和基材速度对纤维膜发射率(1-透射率)的影响,最终纤维膜的发射率则采用加权计算的方式得出平均发射率。综合考虑反射率和发射率之后确定参数:PA66纺丝液浓度一定,Si O微粒粒径300nm,Ti O微粒粒径150nm的条件下,最佳参数为Si O浓度15%,Ti O浓度0%,基材速度10mm/min,此时纤维膜0.2-2.5μm内反射率>93%,8-13μm发射率约10%。借助一个简易的实验装置,采用对比试验通过计算在浙江省10月晴朗的某一天10-16时,在实际环境中有无纤维膜条件下实验箱内空气温度差以及与环境温度之间的差值测定了确定条件下纤维膜的使用使空气可以低于无纤维膜的空气4.9±0.1℃,平均高于环境温度1.1±0.1℃,具有一定的冷却效果,但在太阳垂直照射在纤维膜表面时最多高于环境温度5±0.1℃,非直射时最多低于环境温度2.5±0.1℃。第三部分基于能耗模拟软件Energy Plus将纤维膜外遮阳的辐射特性结合杭州某被动式示范建筑围护结构的热工性能,模拟计算建筑物分别位于来自4个热工分区中的代表城市的空调制冷、制热能耗和全年能耗,并对比不同朝向外窗的不同窗墙比情况下,有无外遮阳条件下的制冷、制热能耗特点后发现,当外遮阳开启温度与空调设定温度一致时,外遮阳对于冬季制热能耗的影响在4个热工分区中各有不同,纬度越高,外遮阳的影响越小,纬度越低,外遮阳的影响越大。

关键词：无针静电纺丝 PA66 辐射冷却能耗模拟

生物基PA56静电纺纳米纤维网形貌调控及其应用

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生物基PA56静电纺纳米纤维网形貌调控及其应用

作者：丁照轩大连工业大学

学位级别：硕士

聚酰胺(PA),商品名为锦纶,俗称尼龙,在民用服饰、建筑土木、航空高铁、军用材料等多个领域均有着极其广阔的市场。在当前能源与环境的需求下,开发生物基聚酰胺材料迫在眉睫。生物基PA56是我国自主研发的生物基材料,其合成单体之一戊二... 详细信息

聚酰胺(PA),商品名为锦纶,俗称尼龙,在民用服饰、建筑土木、航空高铁、军用材料等多个领域均有着极其广阔的市场。在当前能源与环境的需求下,开发生物基聚酰胺材料迫在眉睫。生物基PA56是我国自主研发的生物基材料,其合成单体之一戊二胺来源于细胞或农作物,具有可再生性。本文通过购买市售的生物基PA56材料,旨在通过无针静电纺丝技术制备并调控不同形貌的PA56纳米纤维膜以期拓展生物基聚酰胺在吸声及医用敷料领域的应用。具体研究内容如下:(1)为了调控纳米纤维膜的形貌,获得高覆盖率、低孔径的纳米蛛网纤维膜,首先研究了PA56溶液浓度,静电纺丝电压,环境相对湿度对常规纳米纤维膜基础形貌的影响;其次,研究了甲酸/乙酸比例,氯化钠浓度,纳米氧化锌浓度对纳米蛛网膜的蛛网覆盖率、蛛网孔径大小的影响。将PA56与PA66纳米蛛网膜的形貌进行对比。结果表明:当PA56切粒浓度为15.0 wt.%,纺丝电压为70k V,环境湿度为40%时所获得的常规纳米纤维膜形貌最好,纤维直径分布更加均匀。甲酸/乙酸的溶剂比,氯化钠、纳米氧化锌颗粒的质量分数对纳米蛛网膜的形成及孔隙直径、覆盖率有显著影响。纳米蛛网膜的最优纺丝工艺为PA56溶液浓度15.0 wt.%,电压70k V,空气中相对湿度40%,甲酸:乙酸=1:1,氯化钠浓度1.0 wt.%,氧化锌浓度1.0 wt.%。相同条件下,PA56纳米蛛网的覆盖率比PA66高,纤维匀整度好,PA56独特的奇偶态结构更有利于纳米颗粒在纺丝液体系中的均匀分散,提高溶液二次射流发生的可能性。(2)为了将制得的PA56纳米蛛网膜应用于吸声领域,考察了非织造基材的涤纶/中空纤维比例、基材厚度、纳米纤维膜的平均纤维直径、纤维面密度、纳米蛛网膜覆盖率、纳米蛛网膜平均孔径对优化纳米纤维膜的吸声性能的影响,对优化后的非织造基材和复合材料进行吸声及透气性测试,通过COMSOL建模对复合材料的吸声效果进行分析。结果表明:当涤纶/中空纤维=90/10,基材厚度为16mm时非织造基材的吸声性能最好,平均吸声系数达到0.42。当基材为上述最优基材时,与最优工艺制备的纳米蛛网膜复合后,平均吸声系数达到0.62。建模结果进一步说明:该吸声复合材料属于多孔吸声原理,而附加的纳米蛛网膜不仅仅具有多孔吸声的特质,在低频区也满足共振吸声原理,而具体的共振频率或与纳米蛛网膜的孔隙大小及排布有关。(3)为了将PA56纳米纤维膜应用于医用敷料领域,将PA56切粒与水溶性壳聚糖混纺,并在部分组别中加入纳米银颗粒。对所制得的材料进行细胞毒性,抗菌性,透气性能测试。结果表明:敷料纳米纤维膜的最优工艺为PA56:壳聚糖=2:1,纳米银颗粒的浓度为2.0 wt.%。在此条件下,纳米纤维膜的透气性为173.1mm/s,膜细胞毒性均在医用敷料的允许范围内,通过加入壳聚糖混纺以及添加纳米银颗粒可大大提升敷料的抗菌性能,对革兰氏阳性菌的抑菌率达99.2%,大肠杆菌的抑菌率达99%。综上,通过PA56与纳米氧化锌颗粒,氯化钠在多酸体系下混纺,获得具有纳米蛛网的多孔纳米纤维膜,纳米膜与非织造基材复合制备了成具有优异全频吸声效果的吸声材料。通过将PA56与纳米银颗粒,水溶性壳聚糖混纺,制成了透气,无毒且具有优异抗菌性能的医用敷料。以上两种材料分别在民用、医用等领域具有较好的应用性能和市场应用前景。

关键词：无针静电纺丝生物基聚酰胺56 纳米材料复合材料吸声材料医用敷料

聚醚砜微纳米纤维防水透湿材料的制备及性能分析

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产业用纺织品 2023年第1期41卷 30-37页

作者：杨淼王荣武东华大学纺织学院上海201620

探讨了利用无针静电纺丝技术制备聚醚砜(PES)微纳米纤维防水透湿材料的方法。PES在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中溶解1~2 h后黏度即增大,并出现结块现象,难以用于产业化静电纺丝。经过优选,以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,当PES质量分数为... 详细信息

探讨了利用无针静电纺丝技术制备聚醚砜(PES)微纳米纤维防水透湿材料的方法。PES在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中溶解1~2 h后黏度即增大,并出现结块现象,难以用于产业化静电纺丝。经过优选,以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,当PES质量分数为20%时,纺丝溶液的黏度为0.153 Pa·s,可在9 h内获得良好的的流动性和可纺性。基于此纺丝液配方,制备给液速度分别为0.3、0.9、1.5和2.1 m/min的PES微纳米纤维防水透湿材料,并对其表观形态、孔径、透气性、接触角、透湿性和拉伸性能进行测试,发现所得纤维材料的平均直径为242~345 nm,孔径为9.109 1~9.511 5μm,透气率为59.73~219.95 mm/s,接触角大于140°,透湿率为5 749~7 033 g/(m^(2)·d),断裂强力为21.0~31.0 N,具有较好的疏水性和透湿性。研究可为无针静电纺产业化制备PES微纳米纤维防水透湿材料提供指导和借鉴。

关键词：聚醚砜(PES) 微纳米纤维无针静电纺丝防水透湿