线型静电纺丝泰勒锥自组织成形影响分析_邢升.pdf

基金项目：江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心开放基金（编号：JXNE2020-5）；国家自然科学基金资助项目（编号：21664002）；东华理工大学博士基金（编号：DHBK2020009）；江西省聚合物微纳制造与器件重点实验室开放基金（编号：PMND202002）收稿日期：20220922线型静电纺丝泰勒锥自组织成形影响分析*邢升，周海迎，黄俊杰（东华理工大学 机械与电子工程学院，南昌330013）摘要：采用一种自制线型自由液面静电纺丝装置考察聚合物溶液浓度、工作电压、喷头转速及电极丝直径4个工艺参数对聚合物泰勒锥成形及其线密度的影响，应用响应面法设计实验方案，同时建立工艺参数与聚合物泰勒锥尺寸间的数学模型，量化响应与输入间的关系。实验中泰勒锥平均尺寸为0.3270.797 mm，相对标准偏差为8.19%14.31%，平均线密度为0.5830.237 pcs/mm。研究结果表明：一定条件下PVDF泰勒锥平均直径随着聚合物溶液浓度、工作电压的增加而减小，随着电极丝直径的增加而增大，受喷头转速影响较小；并得出上述4个因素对泰勒锥平均直径的影响由大到小依次排序为：电极丝直径、溶液浓度、工作电压、喷头转速。关键词：静电纺丝；PVDF；泰勒锥成形；响应面法中图分类号：TB324文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02002006Influence Analysis of Self-organization Forming of Taylor Cone inLinear ElectrospinningXing Sheng，Zhou Haiying，Huang Junjie（School of Mechanical and Electronic Engineering,East China Institute of Technology,Nanchang 330013,China）Abstract:A self-made linear free liquid surface electrospinning device was used to investigate the effects of four process parameters:polymersolution concentration,operating voltage,nozzle speed and electrode wire diameter on the forming of polymer Taylor cones and their lineardensity.The experimental scheme was designed by the response surface methodology,and the mathematical model between the processparameters and the size of the polymer Taylor cone was established,and the relationship between the response and the input was quantified.Inthe experiment,the average diameter of Taylor cone was 0.3270.797 mm,the relative standard deviation was 8.19%14.3%,and the averagelinear density was 0.5830.237 pcs/mm.The research results show that under certain conditions,the average diameter of PVDF Taylor conedecreases with the increase of polymer solution concentration and operating voltage,and increases with the increase of electrode wire diameter,which is less affected by the rotation speed of the nozzle.And it is concluded that the influence of the above four factors on the averagediameter of the Taylor cone is ranked in descending order:electrode wire diameter,solution concentration,operating voltage,and nozzle speed.Key words:electrospinning;PVDF;Taylor cone forming;response surface methodology2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.005邢升，周海迎，黄俊杰.线型静电纺丝泰勒锥自组织成形影响分析 J.机电工程技术，2023，52（02）：20-25.0引言聚合物纳米纤维在军工、环境、医疗和新能源等领域的应用研究取得了显著进展，其高质量、低成本宏量制备方法研究引起很多学者的关注1。线型静电纺丝具有结构简单、工作稳定、易拓展等特点，具有很好的应用前景2。泰勒锥形态和密度是影响纳米纤维质量和产量的关键因素，对其开展研究有助于调控线型静电纺丝过程。文献表明，由于Plateau-Rayleigh不稳定性特性，小型圆柱元件表面的液体射流和液体薄膜是不稳定的，在液体表面张力作用下会分解成一系列的小液滴3。这种现象在纤维制造、金属丝涂层、静电纺丝、燃料电池、光纤、外科纺织品和雾/液滴过滤等领域得到了广泛的应用4。当圆柱形元件上附着液膜时，通常会观察到液膜自发破裂形成液珠，并以规则的间隔附着在元件上，甚至当液体与固体元件间的接触角明显为零时，这种液膜破裂形成液珠的现象也可能发生3。过去几十年里，众多国内外科研工作者深入展开了多方面的研究5-6。Plateau7和Rayleigh8-9提出圆柱形元件外表面上形成的涂层薄膜存在一定正曲率和负曲率区域，正、负曲率区域存在一定压力差，从而产生了由于压力梯度导致的流体流动10。这种内部通量导致位移振幅的增长，最终形成泰勒锥。Goren11讨论了金属丝上和小管内的环形液体涂层在自由表面毛细力作用下的不稳定性，并证明了Ohnesorge数在各扰动中起关键作用。Yarin12提出了受电场影响的液滴稳定形状的理论，当液体表面达到喷丝前的临界状态时，其形状接近于半角为33.5的圆锥体。20本文主要是基于自主改进并搭建的线型自由液面静电纺丝实验装置，考察了聚合物溶液浓度、工作电压、旋转速度和电极丝直径这4个主要工艺参数对聚合物泰勒锥成形及其线密度的影响，并分析了单个工艺参数对聚合物泰勒锥成形的影响。研究结果可为后续的实验装置改进与实验设计优化提供一定的思路，为线型自由液面静电纺丝装置的深入研究提供参考。1实验部分1.1试剂与仪器聚偏二氟乙烯（Poly Vinylidene Fluoride，以下简称PVDF），P302009-100g型，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；N-N-二甲基甲酰胺（N，N-dimethylformamide，以下简称DMF），纯度大于99.5%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；去离子水，W119424-25L型；数显恒温磁力搅拌器：型号 85-2B，山东欧莱博仪器有限公司；高压电源：型号 DW-P104-5ACB2，最高输出电压为100 kV，东文高压电源（天津）股份有限公司；电子天平：MTB 2000，深圳市美孚电子有限责任公司；拍摄相机传感器：索尼 IMX707，分辨率 3 8402 160，最大帧率60帧/s，传感器尺寸1/1.28 inch，f/1.9光圈。1.2实验过程PVDF/DMF 溶液配置：称取一定质量的 PVDF 药品和溶剂DMF按照一定的比例混合，样品放置于恒温磁力搅拌器中搅拌，设置恒温60，加热搅拌时长约为3 h，得到澄清透明溶液，放置于室温下，静置去除气泡后备用。1.3测试与表征采用相机测定待测溶液实验过程中泰勒锥成形情况，恒定帧率 60 帧/s，分辨率 3 8402 160，每组实验拍摄3 min。1.4线型自由液面静电纺丝装置及电纺过程图1所示为自制线型自由液面静电纺丝装置示意图，主要包括电极丝、溶液槽、收集板、齿轮传动装置、电机、辊筒、相机等。实验过程中，3根呈120分布的铜丝安装在金属轴上，金属轴连接上带轮，带轮与一个由直流电机驱动的皮带相连，使用调速器控制电机，以实现辊筒的转速控制。实验过程中，高压电源正极连接收集板，负极连接电极丝和辊筒。当电极丝通过聚合物溶液浴时，溶液挟带在电极丝上，形成一层溶液薄膜覆盖在导线上。由于瑞利-泰勒不稳定性，溶液薄膜在电极丝上分解成单个的带电聚合物液滴。图2所示为实验过程中液滴成形图；图3所示为实验过程中泰勒锥成形图。1.5响应面法与实验设计本实验设计基于响应面法（RSM）可以量化测量到的响应与多个重要输入因子之间的关系13。采用基于单因素法的响应面法进行实验设计。结果表明，泰勒锥自组织成形的影响因素包括以下几种：聚合物溶液浓度（wt%）、工作电压（kV）、旋转速度（r/min）和电极丝直径（mm），并考察了这4个参数对泰勒锥成形直径的影响。各因子及因子水平如表1所示。基于CCD，响应值（平均泰勒锥直径）与这 4 个因子（A、B、C 和 D）之间的数学关系可以用如下的二次多项式模型近似14-15：f()A,B,C,D=0+1A+2B+3C+4D+5AB+6AC+7AD+8BC+9BD+10CD式中：f为响应值；n和n（n=1，2，3，4，5）均为未知系数，通过实验数据确定。每组实验过程拍摄 3 min，所有实验均在常温（251），相对湿度（423）%下进行。2结果与讨论2.1实验结果采用相机测定了PVDF泰勒锥成形形貌，用图像处理软件ImageJ测量泰勒锥直径，测量每张照片上携带的全部泰勒锥直径，并统计其直径的平均值（MFD）、泰勒锥线密度（LD）和相对标准差（RSD），实验结果如表2所示。2.2测试与表征通过ImageJ测量出的数据分别按顺序绘制成的泰勒图1线型自由液面静电纺丝装置图2液滴成形图3泰勒锥成形Factor levelsAConcentration/wt%10121416BVoltage/kV40455055CRotate speed/(rmin-1)46810DDiameter/mm0.20.30.40.5表1实验因子与因子水平设计邢升，周海迎，黄俊杰：线型静电纺丝泰勒锥自组织成形影响分析 21锥直径分布如图4所示。实验设计中PVDF泰勒锥MFD范围为0.3270.797 mm。在考察聚合物溶液浓度对泰勒锥成形影响的实验中，浓度为10%的实验条件下，MFD值最大，图5（a）为该条件下实验过程拍摄图；浓度为 16%的实验条件下，MFD值最小，图5（b）为该条件下实验过程拍摄图；浓度为16%的实验条件下，LD值最大，图5（c）为该条件下实验过程拍摄图；浓度为14%的实验条件下，LD值最Concentration/wt%10121416Min/mm0.4010.3590.3320.333Max/mm0.6950.6190.5770.506MFD/mm0.5290.4380.4050.391LD/(个mm-1)0.4000.3970.3940.457RSD/%14.31%9.75%9.16%9.31%Voltage/kV40455055Mi