周期變化電場對熔體靜電紡絲纖維的影響研究-畢業(yè)論文開題報告_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  班級:機械1203班 學號:2012013091</p><p><b>  北京化工大學</b></p><p>  畢業(yè)設計(論文)開題報告</p><p>  論文題目:周期變化電場對熔體靜電紡絲纖維的影響研究</p><p>  學院名稱:機電工程學院 </p><p

2、>  專 業(yè):機械工程及其自動化</p><p><b>  學生姓名:黃麗冰</b></p><p><b>  導師姓名:劉勇</b></p><p>  開題日期:2016.3.8</p><p><b>  開題報告</b></p><p&

3、gt;<b>  一、題目背景和意義</b></p><p>  納米技術(shù)的靈感,來自于已故物理學家理查德·費曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始,人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù),都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。范曼質(zhì)問道,為什么我們不可以從另外一個

4、角度出發(fā),從單個的分子甚至原子開始進行組裝,以達到我們的要求?他說:“至少依我看來,物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?!彪S著納米科技的飛速發(fā)展,納米纖維技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學的重點研究方向,納米纖維也已經(jīng)廣泛應用在機械、醫(yī)療、化工、電子等產(chǎn)業(yè)領域 ,而納米復合材料由于其多功能性被大量應用于汽車和航空工業(yè)中[1]。有科學家預言, 在21 世紀納米材料將是“最有前途的材料”, 納米技術(shù)甚至會超過計算機和基因?qū)W, 成為“決定

5、性技術(shù)”。國際納米結(jié)構(gòu)材料會議于1992 年開始召開(兩年一屆) , 并且目前已有數(shù)種與納米材料密切相關(guān)的國際期刊。德國科學技術(shù)部預測到2010 年納米技術(shù)市場為14 400 億美元, 美國政府自2000 年克林頓總統(tǒng)啟動國家納米計劃以來, </p><p>  “靜電紡絲”一詞來源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”,國內(nèi)一般簡稱為“靜電紡”、“電紡”

6、等。1934年,F(xiàn)ormalas發(fā)明了用靜電力制備聚合物纖維的實驗裝置并申請了專利,其專利公布了聚合物溶液如何在電極間形成射流,這是首次詳細描述利用高壓靜電來制備纖維裝置的專利,被公認為是靜電紡絲技術(shù)制備纖維的開端。但是,從科學基礎來看,這一發(fā)明可視為靜電霧化或電噴的一種特例,其概念可以追溯到1745年。靜電霧化與靜電紡絲的最大區(qū)別在于二者采用的工作介質(zhì)不同,靜電霧化采用的是低粘度的牛頓流體,而靜電紡絲采用的是較高粘度的非牛頓流體。這樣

7、,靜電霧化技術(shù)的研究也為靜電紡絲體系提供了一定的理論依據(jù)和基礎。對靜電紡絲過程的深入研究涉及到靜電學、電流體力學、流變學、空氣動力學等領域。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,靜電紡絲作為一種簡便有效的可生產(chǎn)納米纖維的新型加工技術(shù),將在生物醫(yī)用材料、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領域發(fā)揮巨大作用。</p><p>  靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝,聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲。典型的靜電紡絲裝置主

8、要由高壓電源、噴絲裝置和接收裝置3個部分組成[3]。高壓電源在噴絲頭和接收屏之間形成靜電場,在電場作用下,導電聚合物溶液或熔體帶上幾千到幾萬伏高壓靜電,噴絲頭末端的液滴首先被拉成圓錐形(即Taylor錐),當電場強度超過某一臨界值后,液滴克服自身的表面張力和粘彈性力形成噴射細流,進而被拉細,彎曲,隨著溶劑的揮發(fā)或熔體的固化而最終落在接收裝置上[4]。靜電紡絲技術(shù)是目前制備納米纖維最重要的基本方法。靜電紡絲技術(shù)制得的納米纖維多是以無紡性纖

9、維,其用途范圍相對較小,而現(xiàn)今納米纖維的很多應用需要其具有高度的取向性和規(guī)則整齊的排列。因此,制取擁有更好的機械性能的取向纖維引起了研究者們的極大興趣。利用靜電紡絲制備高度取向的納米纖維,主要是通過改進接收裝置和控制電場等方法來實現(xiàn)[5]。</p><p>  納米材料( nano- material)又稱為超微顆粒材料,由納米粒子組成。粒子尺寸范圍在1-100 nm 之間,它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間

10、的納米粒子所組成的新一代材料。納米纖維由于其直徑小,比表面積大的特點,廣泛應用于各個領域并發(fā)揮著重要的作用,故制備出更高性能的納米纖維也逐漸成為現(xiàn)代科學的一個重要課題[6]。</p><p><b>  國內(nèi)外的研究狀況</b></p><p>  靜電紡絲根據(jù)是否有溶劑分為溶液靜電紡絲法和熔體靜電紡絲法。聚合物溶液靜電紡絲已經(jīng)有近百年的歷史,最早于1934年美國的F

11、ormhals提出一種利用表面電荷的靜電排斥來制備聚合物纖維的裝置。當時溶液靜電紡絲還處于邊緣研究階段,隨后的半個世紀中相關(guān)的發(fā)明非常少,直到20世紀90年代中期,Reneker和他同事證實了溶液電紡絲制備納米纖維可行性,這使得溶液電紡絲技術(shù)在全球范圍內(nèi)引起了前所未有的研究熱潮。</p><p>  目前靜電紡絲研究大都集中于溶液靜電紡絲,研究熱點主要為紡絲材料、紡絲工藝、納米纖維性能表征及應用方面。但溶液靜電紡

12、絲由于使用有機溶劑而出現(xiàn)一系列問題,隨著環(huán)保意識的加強,人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)移到熔體靜電紡絲上來,由于它不需要溶劑就可以順利進行紡絲, 相比溶液電紡,熔體電紡具有諸多優(yōu)點,如:不需要有機溶劑;成本低,效率高,無污染;適用于一些室溫無法找到合適溶劑的聚合物,如PP、PE等。Reneker和Yarin把熔體電紡作為電紡未來發(fā)展方向做了專題闡述。Dietmar W Hutmacher和Paul D Dalton認為在溶劑成為問題及溶劑毒性需完全

13、去除的領域,熔體靜電紡絲具有廣闊的發(fā)展空間,因而被認為是一種更經(jīng)濟、更環(huán)保、更安全的可替代溶液靜電紡絲的方法。</p><p>  靜電紡絲技術(shù)在構(gòu)筑一維納米結(jié)構(gòu)材料領域已發(fā)揮了非常重要的作用,應用靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成功的制備出了結(jié)構(gòu)多樣的納米纖維材料。通過不同的制備方法,如改變噴頭結(jié)構(gòu)、控制實驗條件等,可以獲得實心、空心、核-殼結(jié)構(gòu)的超細纖維或是蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的二維纖維膜;通過設計不同的收集裝置,可以獲得單根纖維、

14、纖維束、高度取向纖維或無規(guī)取向纖維膜等。但是靜電紡絲技術(shù)在纖維結(jié)構(gòu)調(diào)控方面還面臨一些挑戰(zhàn):首先,要想實現(xiàn)靜電紡纖維的產(chǎn)業(yè)化應用,就必須獲得類似于短纖或者連續(xù)的納米纖維束[7],取向纖維的制備為解決該問題提供了一條有效的途徑,但是距離目標還有不少差距,今后的工作就要設法通過改良噴頭、接收裝置以及添加輔助電極等使纖維盡可能伸直并取向排列,獲得綜合性能優(yōu)異的取向纖維陣列。其次,作為靜電紡納米纖維全新的研究領域--納米蛛網(wǎng)的研究還在初期階段,納

15、米蛛網(wǎng)的形成過程的理論分析和模型建立尚需深入研究。此外,要想提高靜電紡纖維膜在超精細過濾領域的應用性能,就必須降低纖維的直徑[8],如何將纖維平均直徑降低到20nm以下是靜電紡絲技術(shù)面臨的一個挑戰(zhàn);要想提高纖維在傳感器、催化等領域的應用性能,通過制備具有多孔或中空結(jié)構(gòu)的納米纖</p><p>  利用熔體靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維,因其重要性得到國內(nèi)外學者的廣泛的研究,從靜電紡絲的原理來分析,對電紡裝置的改進無外乎

16、以下兩點:</p><p> ?。?)采用多噴頭共紡設計,增加單位時間的紡絲總量,達到產(chǎn)業(yè)化需求[9]。Kim等設計了一種帶有圓筒狀輔助電極的多噴頭靜電紡絲裝置。2003年,德國菲利浦大學與以色列扎司門(Zussman)一起開發(fā)了共靜電紡絲技術(shù)。這種紡絲技術(shù)有2種溶液,使用2個噴嘴。在噴嘴的前端形成復合液滴,產(chǎn)生噴射流,內(nèi)側(cè)的液滴也進入到噴射流之中。</p><p> ?。?)改進接收裝置

17、以獲得可控取向或直徑更細的納米纖維,多采用平板接收和滾筒接收兩種。為了可以制備出高度取向的納米纖維,國內(nèi)外學者想方設法地對接收裝置進行改進。</p><p>  接收裝置的大小和形狀對靜電紡絲有所影響,這主要是由于接收裝置表面電場分布的不同影響纖維的接收,從而也會影響到纖維氈,比如纖維氈的面積、形狀、厚度等[10]。目前,利用靜電紡絲制備排列有序納米纖維的接收器可以分為動態(tài)和靜態(tài)2類。其中,動態(tài)接收器是通過牽引作

18、用使靜電紡纖維規(guī)律沉積;靜態(tài)接收器利用特殊電場改變靜電紡纖維的運行路徑,以此實現(xiàn)規(guī)則排列[11]。最早的靜電紡絲接收裝置主要采用平板接收,在電紡的過程中,因為聚合物射流的下落軌跡很不穩(wěn)定,存在射流鞭動現(xiàn)象,想要獲得取向的纖維束十分困難[12]。而無序的納米纖維用途范圍相對較小,故如何制備高度取向的納米纖維成為了國內(nèi)外越來越多的學者的重點研究方向。靜電紡絲最大的特點是在高聚物在靜電場作用下被拉伸成絲,因此,電場特點對于靜電紡絲的作用是不可

19、忽視的[13]。而連接高壓靜電場是由靜電紡絲接收裝置產(chǎn)生,故對電場的研究可從靜電紡絲接收裝置入手,通過對接收裝置的改進和電場的變化來試圖制備高度取向的納米纖維。其中,主要是通過改變接收裝置的形狀來改變電場分布,來獲得取向性更高的電紡絲。</p><p>  Z M.Huang[14]等人研究采用三角形框架作為接收裝置對所獲取纖維結(jié)構(gòu)和分布的影響。通過設計地框架材料的不同,接收裝置所獲得的纖維平行排列程度也不同,有

20、序性不高。Javed Rafique[15]等人通過對尖端接收裝置的外形和應用的改進,采用旁側(cè)噴射技術(shù)進行靜電紡絲,成功制備了取向性很高的聚己內(nèi)酯和聚丙烯腈納米纖維集合體。D.Li[16]等人采用兩平行硅電極收集裝置,在兩平行電極之間可以得到很好的排列纖維,但是纖維的有序程度會隨著纖維層厚度的增大而減小。Akron大學的Reneker等人用高速旋轉(zhuǎn)的圓筒作為接收裝置,制備了或多或少的相互平行的納米纖維。S.Y.Chew[17]等人采用圓

21、柱狀轉(zhuǎn)鼓接收裝置替代傳統(tǒng)的平板接收裝置,得到了排列較為有序的纖維,在一定的轉(zhuǎn)鼓速度下,纖維排列的有序程度與轉(zhuǎn)鼓的速度成正比。P.Katta[18]等人的采用銅線做成的圓柱狀轉(zhuǎn)鼓作為接收裝置,并得到更為有序的纖維,但其有序程度會隨纖維厚度的增加而減小。E.Zussman[19]等人設計了旋轉(zhuǎn)圓盤接收裝置,該裝置由繞y軸旋轉(zhuǎn)的圓盤和鋁制方塊組成。該接收裝置大大地改善和提高了纖維排列的規(guī)整程度。這些研究成</p><p&g

22、t;  越來越多的國內(nèi)外學者通過實驗證實,通過對靜電紡絲接收裝置的改進是制備取向性更高的納米纖維的有效途徑[20]。隨著技術(shù)的不斷提高,各國的學者不斷著手對靜電紡絲接收裝置進行研究,但是仍然存在著這類或那類的問題。而本課題的目的在于通過改變接收裝置的形狀及大小,利用旋轉(zhuǎn)的接收裝置的形狀,改變紡絲過程中接收裝置與噴頭的距離不同,來實現(xiàn)電場的周期變化,考察周期變化電場對纖維直徑、性能的影響。</p><p>  三、

23、主要內(nèi)容與待解決的問題</p><p> ?。?) 查閱中英文資料,完成一篇文獻綜述,同時選取其中一篇具有代表性的英文文獻翻譯成漢語;</p><p>  (2)通過查閱書籍、期刊雜志、專利等資料了解國內(nèi)外靜電紡絲接收裝置裝置的發(fā)展現(xiàn)狀,掌握各種方案及實施方法的特點和要點,進行分析、設計、比較,確定利用靜電紡絲接收裝置產(chǎn)生周期變化電場來進行靜電紡絲的總體實驗方案;</p>&

24、lt;p> ?。?)查閱機械設計等各項手冊,按標準設計并用CAD/CAXA繪制出靜電紡絲裝置的裝配二維圖紙(A1圖紙);</p><p>  (4) 進行電紡絲實驗,用掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察纖維的直徑和排列有序性并進行分析;</p><p>  (5) 把整個實驗過程的現(xiàn)象及分析(包括進行熔體靜電紡絲的工藝條件,實驗方案對比、變量控制,實驗結(jié)果分析等)整理規(guī)整,撰寫成實驗報

25、告書。</p><p>  四、設計方法和實施方案</p><p>  首先通過將所學的基礎知識和專業(yè)知識,用CAD/CAXA畫出二維的裝配圖,并且確定其材料;結(jié)合所查的中英文文獻對靜電紡絲接收裝置進行全面的分析,通過和老師進行交流,確定好實驗方案。其次運用文獻資料等所提供的方法對所設計的接收裝置進行控制變量實驗,隨后用掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察纖維的直徑和排列有序性并進行分析;反復對

26、接收裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改進,將整個實驗思路和實驗過程整理撰寫成設計說明書。</p><p><b>  五、進度計劃</b></p><p><b>  六、參考文獻</b></p><p>  [1] Mehrdad N. Ghasemi Nejhad, Multifunctional hierarchical nano

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