高速离心力场作用下射流与纳米纤维运动研究

第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2 纳米纤维材料的基本概念1
1.2.1 纳米科技1
1.2.2 纳米材料3
1.2.3 纳米纤维5
1.3 传统纳米纤维制备方法简介6
1.3.1 静电纺丝法6
1.3.2 熔融纺丝法9
1.3.3 其他纺丝法11
1.4 高速离心纺丝国内外研究进展15
1.4.1 高速离心纺丝法的提出与发展15
1.4.2 离心纺丝装置类别18
1.4.3 高速离心纺丝纳米纤维23
1.5 纺丝喷嘴结构的国内外研究现状25
1.5.1 静电纺丝喷嘴研究进展25
1.5.2 熔喷纺丝喷嘴研究进展26
1.5.3 离心纺丝喷嘴研究进展27
1.6 本书的研究内容和方法29
1.6.1 研究目标与研究内容29
1.6.2 研究方法与技术路线30

第2章 高速离心纺丝原理32
2.1 高速离心纺丝制备机理32
2.1.1 高速离心纺丝基本装置32
2.1.2 高速离心纺丝基本过程37
2.2 工艺参数对纳米纤维形态的影响43
2.2.1 纺丝溶液参数对纤维形态的影响44
2.2.2 喷嘴参数对纤维形态的影响48
2.2.3 电动机转速52
2.2.4 收集距离54
2.2.5 环境参数54
2.3 本章小结56

第3章 纺丝溶液在喷嘴内流动数学模型57
3.1 喷嘴内纺丝溶液的运动57
3.1.1 纺丝溶液静止阶段57
3.1.2 纺丝溶液层流阶段58
3.1.3 纺丝溶液湍流阶段58
3.2 纺丝溶液锥体形成机理59
3.2.1 纺丝溶液表面张力对溶液锥体的影响60
3.2.2 纺丝溶液黏滞力对溶液锥体的影响61
3.3 喷嘴内纺丝溶液运动的数学模型62
3.3.1 纺丝溶液连续性方程62
3.3.2 纺丝溶液运动方程62
3.3.3 纺丝溶液流变方程63
3.4 喷嘴内纺丝溶液流动的理论模型63
3.5 喷嘴内纺丝溶液的运动规律与受力分析65
3.5.1 相对静止阶段纺丝溶液的运动规律65
3.5.2 相对流动阶段纺丝溶液的运动规律67
3.5.3 纺丝溶液层流转变为湍流的临界流速69
3.6 喷嘴处纺丝溶液锥体受力分析69
3.7 本章小结73

第4章 高速离心纺丝喷嘴优化设计74
4.1 离心纺丝喷嘴结构74
4.1.1 阶梯形喷嘴74
4.1.2 锥直形喷嘴76
4.1.3 锥形喷嘴77
4.1.4 弯管形喷嘴78
4.2 高速离心纺丝喷嘴内流场优化数学模型79
4.2.1 离心纺丝喷嘴内溶液的连续性方程79
4.2.2 离心纺丝喷嘴内溶液的运动方程80
4.2.3 高速离心纺丝喷嘴内流场优化理论81
4.2.4 离心纺丝喷嘴流场计算区域的离散和边界条件82
4.2.5 离心纺丝喷嘴内流场有限元求解83
4.3 离心纺丝喷嘴流场求解流程87
4.4 高速离心纺丝喷嘴内流场仿真优化88
4.4.1 阶梯形喷嘴内溶液运动仿真及正交试验88
4.4.2 锥直形喷嘴内溶液运动仿真及正交试验91
4.4.3 锥形喷嘴内溶液运动仿真及正交试验94
4.4.4 弯管形喷嘴内溶液运动仿真及正交试验97
4.5 不同离心纺丝喷嘴内溶液运动仿真比较100
4.6 本章小结102

第5章 高速离心纺丝纤维射流空间运动的理论模型104
5.1 高速离心纺丝溶液射流理论模型基础104
5.1.1 高速离心纺丝溶液射流的连续性方程104
5.1.2 高速离心纺丝纤维射流的动量方程105
5.1.3 纺丝溶液的流变本构方程106
5.2 高速离心纺丝纤维射流空间运动的理论模型106
5.3 纺丝溶液射流的运动规律与受力分析109
5.3.1 纺丝溶液射流的相对运动方程110
5.3.2 曲线坐标系下的纺丝溶液射流运动方程111
5.4 本章小结116

第6章 高速离心纺丝溶液运动仿真117
6.1 聚氧化乙烯溶液参数测定117
6.1.1 聚氧化乙烯溶液的流变曲线与流变参数117
6.1.2 聚氧化乙烯溶液黏度随剪切速率的变化规律119
6.2 喷嘴溶液运动仿真120
6.2.1 喷嘴溶液流动模型的建立120
6.2.2 喷嘴溶液流动模型网格划分121
6.3 溶液运动仿真与结果分析121
6.3.1 纺丝溶液流速分布规律121
6.3.2 电动机转速对溶液流动的影响124
6.3.3 溶液浓度对溶液流动的影响126
6.3.4 喷嘴长度对溶液流动的影响127
6.4 高速离心纺丝纤维射流空间运动仿真128
6.4.1 喷嘴射流运动模型的建立129
6.4.2 空间射流运动模型网格划分129
6.5 纤维空间射流仿真与结果分析131
6.5.1 纤维射流运动过程与射流轨迹仿真131
6.5.2 纺丝转速与射流轨迹之间的关系132
6.5.3 纤维空间运动的射流速度133
6.5.4 射流溶液浓度的影响134
6.5.5 喷嘴周围的气流速度变化135
6.6 本章小结137

第7章 高速离心纺丝实验与结果分析139
7.1 高速离心纺丝射流实验装置与PEO纺丝溶液制备139
7.2 高速离心纺丝工艺参数对临界转速的影响140
7.3 高速离心纺丝工艺参数对纤维形态的影响141
7.3.1 纺丝溶液参数的影响141
7.3.2 喷嘴长度与直径的影响145
7.3.3 不同离心纺丝喷嘴制备的纤维形态对比分析146
7.3.4 不同离心纺丝喷嘴制备的纤维直径对比分析147
7.4 不同离心纺丝喷嘴制备的纤维生产效率对比分析150
7.5 高速离心纺丝工艺参数对射流的影响151
7.6 收集距离对射流运动的影响153
7.7 其他因素的影响154
7.8 本章小结155

第8章 总结与展望156
8.1 全书研究总结156
8.2 后续研究展望158

参考文献160