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表面技术 2022年第5期51卷 354-362,373页

作者：陈逢军贺提喜湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心长沙410082

目的提出一种静电喷印辅助界面聚合法制备纳米纤维复合膜实现海水过滤的方法。方法通过在静电喷印聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)纳米纤维基底上进行界面聚合,将哌嗪、三甲酰氯和聚醚胺(Polyether Amine,PEA)聚合在聚丙烯腈纳米纤维... 详细信息

目的提出一种静电喷印辅助界面聚合法制备纳米纤维复合膜实现海水过滤的方法。方法通过在静电喷印聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)纳米纤维基底上进行界面聚合,将哌嗪、三甲酰氯和聚醚胺(Polyether Amine,PEA)聚合在聚丙烯腈纳米纤维基底上。首先将PAN纳米纤维基底在水相溶液中浸泡,均匀吸附基材表面的哌嗪和PEA,用滤纸吸干多余的水溶液,然后将有机相三甲酰氯引入PAN基底表面,与水相进行反应,制备了具有良好过滤性能的纳米纤维复合膜(Thin Film Nanofiltration Composite,TFNC),研究了PEA浓度对TFNC复合膜过滤性能的影响。通过场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、接触角测量仪和Zeta电位仪,表征了复合膜的微观形貌、界面聚合反应、亲水性和荷电性。选用4种无机盐通过死端过滤装置系统对TFNC膜的过滤性能进行测试。结果PAN溶液能够在滚筒表面静电喷印形成均匀的膜表面结构。在20 kV静电高压下,纺丝质量分数为8%的PAN透明溶液所制备的薄膜表面光滑。当PEA的质量分数4.5%时,TFNC复合膜的接触角最小,为47.5°。经过4种无机盐的过滤性能测试发现,在25℃、0.4 MPa条件下,当PEA的质量分数为3.0%时,该膜的水通量可达41.5 L/(m^(2)·h),对NaCl的截留率较低(18.6%),但对阴离子染料MYB的截留率最高(达95.4%)。结论静电喷印辅助界面聚合法能够简单有效地制备纳米纤维复合膜,且获得光滑、均匀的亲水性表面,通过改变PEA的浓度可调节复合纳滤膜的分离性能,有效地去除海水中的盐分,具有极强的开发潜力。

关键词：静电喷印界面聚合纳米纤维复合膜膜层功能表面海水过滤

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静电喷印自组装微柱阵列研究

静电喷印自组装微柱阵列研究

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作者：杜晓港湖南大学

学位级别：硕士

微/纳米纤维的可扩展多重堆叠是一个具有挑战性的难题,尽管静电喷印工艺是可扩展的,但关于纤维垂直堆叠的报道很少。本文揭示了静电喷印自组装微柱阵列机理,珠串纤维堆叠在沉积路径上形成了具有间隔的微柱阵列结构,此外,还提出了一种制... 详细信息

微/纳米纤维的可扩展多重堆叠是一个具有挑战性的难题,尽管静电喷印工艺是可扩展的,但关于纤维垂直堆叠的报道很少。本文揭示了静电喷印自组装微柱阵列机理,珠串纤维堆叠在沉积路径上形成了具有间隔的微柱阵列结构,此外,还提出了一种制备微柱模具型腔的工艺方法。由于较小的特征尺寸、较大的表面积和结构周期性,微柱阵列有更多的应用前景,如表面的疏水性和电化学检测,静电喷印中的自组装可以大大降低微柱阵列的制备成本,并为微柱阵列的制备提供新的工艺和思路,具体的研究内容如下所述:(1)分析了静电喷印的基本原理和形成过程,建立了静电喷印的数学模型和珠串的振动模型,对静电喷印过程中的不稳定性与珠串成型之间的关系进行了数值分析,建立了静电喷印的电场和流场的控制方程。(2)针对静电喷印过程中电场分布复杂的问题,利用COMSOL研究了初始电场强度在喷印空间内的分布规律,距离喷嘴0.5mm区域内电场分布较为复杂容易引起射流的不稳定性,研究了微结构的形成过程对电场分布的影响;通过将电场力添加到流体中实现电场和流场的相互耦合,研究了不同参数对射流形态的影响规律。(3)搭建了静电喷印的实验平台,通过使用影像系统验证了静电喷印的初步实验现象。进行了静电喷印沉积纤维的正交试验,得到各因素对沉积质量、线宽和标准差的影响规律,确定了珠串纤维和直线纤维的最优参数水平。(4)通过记录微柱阵列的生长过程,揭示了自组装微柱阵列的机理,并研究了不同工艺参数对微柱尺寸的影响,利用此技术可以在任意复杂路径上自组装形成均匀的微柱阵列结构,适用于不同材料的接收基底,最后用自组装得到的微柱阵列作为模板制备模具,通过此模具可批量重复制备其他材料的微柱阵列。

关键词：静电喷印自组装微柱阵列电场分布珠串纤维

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高压静电射流喷印微结构机理与实验研究

高压静电射流喷印微结构机理与实验研究

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作者：夏志斌湖南大学

学位级别：硕士

针对传统增材制造技术难以制备出小尺寸、形态可控和磨粒均布的微结构,本文提出了一种静电射流喷印微结构的新方法。通过精密注射泵将静电液供给到喷嘴处,在高压静电场作用下液面回流形成微细射流,碳化硅磨粒在微细射流束缚下重新排布,... 详细信息

针对传统增材制造技术难以制备出小尺寸、形态可控和磨粒均布的微结构,本文提出了一种静电射流喷印微结构的新方法。通过精密注射泵将静电液供给到喷嘴处,在高压静电场作用下液面回流形成微细射流,碳化硅磨粒在微细射流束缚下重新排布,以此实现喷印出碳化硅磨粒均布、尺寸形态可控微结构的目的。本文仿真了耦合场中的锥射流过程并进行了射流喷印液滴、线条和微结构实验,主要研究内容包括以下几点:（1）分析了射流基本原理并仿真模拟了锥射流过程。对影响射流滴落模式、锥射流模式和多射流模式的因素进行了归纳总结,绘制了稳定性边界V-Q图。通过耦合电场和流场控制方程,计算出射流运动控制方程,利用COMSOL软件建立针-板电极三维仿真模型,对比研究无尖端和尖端偏移量为0.4 mm时针板电场强度分布情况。建立了锥射流二维耦合场仿真模型,研究不同喷印工艺参数下对锥射流喷印形态、电场强度、过程特性和流动轨迹的影响及锥射流尖端效应。（2）设计并搭建了静电射流喷印实验的四轴运动工作台并选择喷印材料。对仅含光固化树脂和吐温的静电液进行分析测试后,添加碳化硅磨粒后配制了稳定性较好的的静电悬浮液。解决了实际实验中出现的射流偏射和空气击穿等问题。对比泰森多边形法、分形理论盒维数法和网格计数法三种磨粒分布图像处理方法,采取变异系数网格法描述碳化硅磨粒分布均匀度。结合置信度、线宽均匀度和碳化硅磨粒沉积密度等指标来表征不同工艺参数对静电液喷印效果的影响。（3）对影响射流喷印效果的不同参数进行了工艺实验研究。设计了三因素四水平正交表进行静电液脉冲式液滴喷印试验,通过直观分析和方差分析研究出,蠕动泵注射速度是影响粒径大小的最主要因素;基于静电液连续式线条喷印实验,实验参数设置为针板距离3 mm,工作台移动速度20 mm/s,注射泵注射速度2 mm/h,针板电压3.0 k V时,可喷印出宽144μm的较细线条,线宽随注射速度减小而降低,与仿真中不同参数对射流束的影响规律一致,为线条逐层喷印出微结构确立了工艺参数范围;利用仿真中射流因尖端效应自对应喷印,使用含磨粒静电悬浮液喷印圆环微结构,研究结果表明,时间对磨粒分布均匀度影响不明显,针板电压较低时磨粒易出现聚集,适度增加转台移动速度,对磨粒分布均匀性及形貌尺寸改善效果明显,从而进一步掌握喷印规律,最终实现对大高宽比微结构磨具、尺寸形态可控环结构、微流道软模具及其他微结构等案例的喷印。

关键词：静电喷印泰勒锥锥射流碳化硅微结构 COMSOL

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用于纸基微流控芯片制造的石蜡电喷规律实验研究

用于纸基微流控芯片制造的石蜡电喷规律实验研究

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作者：张鹏程厦门大学

学位级别：硕士

近年来,纸基微流控芯片以其低成本、低耗样、易操作、易携带和环境友好等优点在医疗诊断、食品安全、环境监测等领域都得到了广泛的关注。尽管科学家们已经对纸基微流控芯片进行了深入的研究,并开发了多种制造方法,但它的发展仍处于初... 详细信息

近年来,纸基微流控芯片以其低成本、低耗样、易操作、易携带和环境友好等优点在医疗诊断、食品安全、环境监测等领域都得到了广泛的关注。尽管科学家们已经对纸基微流控芯片进行了深入的研究,并开发了多种制造方法,但它的发展仍处于初级阶段。如何实现高精度纸基微流控芯片的低成本、高效率、大批量的制造,推动其商业化进程,仍亟待解决。本文基于静电雾化技术,以石蜡为疏水材料,开发了一种能够快速制造纸基微流控芯片的方法,又在此基础上结合静电纺丝技术,以纳米纤维膜替代滤纸,通过叠层打印的方式制造三维纸基微流控芯片,并成功制备三维离子浓度分析装置。具体工作如下:1.开发了石蜡静电喷印装置,实现了石蜡的雾化喷印,并探索了电场电压和加热温度对石蜡雾化效果的影响。电场电压能够直接影响石蜡的雾化模式和雾滴的直径,增加温度则能够有效的减小雾滴直径。通过FLUENT仿真分析不同电场电压及液体性质下液体泰勒锥形态、雾化模式及破碎液滴粒径,并与试验结果对比验证。2.分析了不同喷印参数(收集距离、电场电压和收集板移动速度)下,石蜡喷印效果的变化规律。收集距离越小,石蜡的喷印效果越好。而电场电压则需要与收集板移动速度相互匹配,才能达到最佳的喷印效果。研究发现,石蜡最佳的喷印参数为:加热温度100℃,收集距离3mm,电场电压5kV,收集板移动速度2.5mm/s。3.探究了石蜡在滤纸上的渗透规律,并在此基础上以滤纸为基材,制作了一种离子浓度分析装置。通过实验证明,该装置能够基于比色法定量测定浓度在0.001～0.09mol/L 范围内的 Fe。4.结合静电纺丝技术,通过沉积聚酰亚胺纳米纤维膜替代滤纸,以叠层打印的方式制作三维纸基微流控芯片。基于此工艺方法,开发了一种三维离子浓度分析装置,且能够完成0.001～0.09mol/L浓度范围内Fe的定量检测。5.比较聚酰亚胺薄膜与滤纸在流道辨析率、孔隙率和力学性能上的差异。实验结果表明,聚酰亚胺薄膜的流道辨析率更高,伸长率更大,但滤纸孔隙率更大,且能够承受的拉应力更大。本文开发了一种新型的纸基微流控芯片制作方法,能够快速地将石蜡喷印在基材上,形成流道。该方法具有制作成本低、加工效率高以及操作简单等优势,有利于推动纸基微流控芯片的商业化制造。

关键词：纸基微流控芯片静电喷印纳米纤维膜

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