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1、机械工程及其自动化学生：黄丽冰导师：勇开题日期：2016.3.8考核成绩审核小组成员以及职称姓 名职 称开题报告一、题目背景和意义纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德费曼1959年所作的一次题为在底部还有很大空间的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求?他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”随着纳米科技的飞速发

2、展，纳米纤维技术已经成为现代科学的重点研究方向，纳米纤维也已经广泛应用在机械、医疗、化工、电子等产业领域 ，而纳米复合材料由于其多功能性被大量应用于汽车和航空工业中1。有科学家预言, 在21 世纪纳米材料将是“最有前途的材料”, 纳米技术甚至会超过计算机和基因学, 成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992 年开始召开（两年一届） , 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010 年纳米技术市场为14 400 亿美元, 美国政府自2000 年克林顿总统启动国家纳米计划以来, 已经为纳米技术投资了大约20 亿美元。同时, 欧盟在2002 2006 年期间将向

3、纳米技术投资10 多亿美元。日本2002 年的纳米技术开支已经从1997 年的1. 20 亿美元提高到7. 50 亿美元。制造纳米纤维的方法有很多，包括复合纺丝法，生物合成法，化学纺丝法，静电纺丝法等2。其中静电纺丝法以操作简单、适用围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。静电纺丝技术是得到纳米纤维最重要的基本方法。该技术生产高性能聚合物纳米纤维的工艺流程简单，能普遍适用于现有的聚合物和生物高分子溶液或熔体。“静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，国一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年，Formalas发明

4、了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例，其概念可以追溯到1745年。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同，静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体，而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。这样，静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种简便有效的可生产纳米

5、纤维的新型加工技术，将在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。典型的静电纺丝装置主要由高压电源、喷丝装置和接收装置3个部分组成3。高压电源在喷丝头和接收屏之间形成静电场，在电场作用下，导电聚合物溶液或熔体带上几千到几万伏高压静电，喷丝头末端的液滴首先被拉成圆锥形（即Taylor锥），当电场强度超过某一临界值后，液滴克服自身的表面力和粘弹性力形成喷射细流，进而被拉细，弯曲，随着溶剂的挥发或熔体的固化而最终落在接收装置上4。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。静电纺丝技术

6、制得的纳米纤维多是以无纺性纤维，其用途围相对较小，而现今纳米纤维的很多应用需要其具有高度的取向性和规则整齐的排列。因此，制取拥有更好的机械性能的取向纤维引起了研究者们的极大兴趣。利用静电纺丝制备高度取向的纳米纤维，主要是通过改进接收装置和控制电场等方法来实现5。纳米材料（ nano- material）又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸围在1-100 nm 之间，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米纤维由于其直径小，比表面积大的特点，广泛应用于各个领域并发挥着重要的作用，故制备出更高性能的纳米纤维也逐渐成为现代科学的一个重要课题6。二、国外的研究状

7、况静电纺丝根据是否有溶剂分为溶液静电纺丝法和熔体静电纺丝法。聚合物溶液静电纺丝已经有近百年的历史，最早于1934年美国的Formhals提出一种利用表面电荷的静电排斥来制备聚合物纤维的装置。当时溶液静电纺丝还处于边缘研究阶段，随后的半个世纪中相关的发明非常少，直到20世纪90年代中期，Reneker和他同事证实了溶液电纺丝制备纳米纤维可行性，这使得溶液电纺丝技术在全球围引起了前所未有的研究热潮。目前静电纺丝研究大都集中于溶液静电纺丝，研究热点主要为纺丝材料、纺丝工艺、纳米纤维性能表征及应用方面。但溶液静电纺丝由于使用有机溶剂而出现一系列问题，随着环保意识的加强，人们逐渐把注意力转移到熔体静电纺

8、丝上来，由于它不需要溶剂就可以顺利进行纺丝， 相比溶液电纺，熔体电纺具有诸多优点，如：不需要有机溶剂；成本低，效率高，无污染；适用于一些室温无法找到合适溶剂的聚合物，如PP、PE等。Reneker和Yarin把熔体电纺作为电纺未来发展方向做了专题阐述。Dietmar W Hutmacher和Paul D Dalton认为在溶剂成为问题及溶剂毒性需完全去除的领域，熔体静电纺丝具有广阔的发展空间，因而被认为是一种更经济、更环保、更安全的可替代溶液静电纺丝的方法。静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。通过不同的制备方法

9、，如改变喷头结构、控制实验条件等，可以获得实心、空心、核-壳结构的超细纤维或是蜘蛛网状结构的二维纤维膜；通过设计不同的收集装置，可以获得单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等。但是静电纺丝技术在纤维结构调控方面还面临一些挑战：首先，要想实现静电纺纤维的产业化应用，就必须获得类似于短纤或者连续的纳米纤维束7，取向纤维的制备为解决该问题提供了一条有效的途径，但是距离目标还有不少差距，今后的工作就要设法通过改良喷头、接收装置以及添加辅助电极等使纤维尽可能伸直并取向排列，获得综合性能优异的取向纤维阵列。其次，作为静电纺纳米纤维全新的研究领域-纳米蛛网的研究还在初期阶段，纳米蛛网的形成过程的理

10、论分析和模型建立尚需深入研究。此外，要想提高静电纺纤维膜在超精细过滤领域的应用性能，就必须降低纤维的直径8，如何将纤维平均直径降低到20nm以下是静电纺丝技术面临的一个挑战；要想提高纤维在传感器、催化等领域的应用性能，通过制备具有多孔或中空结构的纳米纤维来提高纤维的比表面积是一种有效方法，但仍需进一步的研究。利用熔体静电纺丝技术制备纳米纤维，因其重要性得到国外学者的广泛的研究，从静电纺丝的原理来分析，对电纺装置的改进无外乎以下两点：（1）采用多喷头共纺设计，增加单位时间的纺丝总量，达到产业化需求9。Kim等设计了一种带有圆筒状辅助电极的多喷头静电纺丝装置。2003年，德国菲利浦大学与以色列扎司

11、门（Zussman）一起开发了共静电纺丝技术。这种纺丝技术有2种溶液,使用2个喷嘴。在喷嘴的前端形成复合液滴,产生喷射流,侧的液滴也进入到喷射流之中。（2）改进接收装置以获得可控取向或直径更细的纳米纤维，多采用平板接收和滚筒接收两种。为了可以制备出高度取向的纳米纤维，国外学者想方设法地对接收装置进行改进。接收装置的大小和形状对静电纺丝有所影响，这主要是由于接收装置表面电场分布的不同影响纤维的接收，从而也会影响到纤维毡，比如纤维毡的面积、形状、厚度等10。目前，利用静电纺丝制备排列有序纳米纤维的接收器可以分为动态和静态2类。其中，动态接收器是通过牵引作用使静电纺纤维规律沉积；静态接收器利用特殊电

12、场改变静电纺纤维的运行路径，以此实现规则排列11。最早的静电纺丝接收装置主要采用平板接收，在电纺的过程中，因为聚合物射流的下落轨迹很不稳定，存在射流鞭动现象，想要获得取向的纤维束十分困难12。而无序的纳米纤维用途围相对较小，故如何制备高度取向的纳米纤维成为了国外越来越多的学者的重点研究方向。静电纺丝最大的特点是在高聚物在静电场作用下被拉伸成丝，因此，电场特点对于静电纺丝的作用是不可忽视的13。而连接高压静电场是由静电纺丝接收装置产生，故对电场的研究可从静电纺丝接收装置入手，通过对接收装置的改进和电场的变化来试图制备高度取向的纳米纤维。其中，主要是通过改变接收装置的形状来改变电场分布，来获得取向

13、性更高的电纺丝。Z M.Huang14等人研究采用三角形框架作为接收装置对所获取纤维结构和分布的影响。通过设计地框架材料的不同，接收装置所获得的纤维平行排列程度也不同，有序性不高。Javed Rafique15等人通过对尖端接收装置的外形和应用的改进，采用旁侧喷射技术进行静电纺丝，成功制备了取向性很高的聚己酯和聚丙烯腈纳米纤维集合体。D.Li16等人采用两平行硅电极收集装置，在两平行电极之间可以得到很好的排列纤维，但是纤维的有序程度会随着纤维层厚度的增大而减小。Akron大学的Reneker等人用高速旋转的圆筒作为接收装置，制备了或多或少的相互平行的纳米纤维。S.Y.Chew17等人采用圆柱状

14、转鼓接收装置替代传统的平板接收装置，得到了排列较为有序的纤维，在一定的转鼓速度下，纤维排列的有序程度与转鼓的速度成正比。P.Katta18等人的采用铜线做成的圆柱状转鼓作为接收装置，并得到更为有序的纤维，但其有序程度会随纤维厚度的增加而减小。E.Zussman19等人设计了旋转圆盘接收装置，该装置由绕y轴旋转的圆盘和铝制方块组成。该接收装置大改善和提高了纤维排列的规整程度。这些研究成果都是通过改变接收板的形状来改变边际电荷和电场的分布，从而获得定向沉积的纳米纤维。越来越多的国外学者通过实验证实，通过对静电纺丝接收装置的改进是制备取向性更高的纳米纤维的有效途径20。随着技术的不断提高，各国的学者

15、不断着手对静电纺丝接收装置进行研究，但是仍然存在着这类或那类的问题。而本课题的目的在于通过改变接收装置的形状及大小，利用旋转的接收装置的形状，改变纺丝过程中接收装置与喷头的距离不同，来实现电场的周期变化，考察周期变化电场对纤维直径、性能的影响。三、主要容与待解决的问题（1） 查阅中英文资料，完成一篇文献综述，同时选取其中一篇具有代表性的英文文献翻译成汉语；（2）通过查阅书籍、期刊杂志、专利等资料了解国外静电纺丝接收装置装置的发展现状，掌握各种方案及实施方法的特点和要点，进行分析、设计、比较，确定利用静电纺丝接收装置产生周期变化电场来进行静电纺丝的总体实验方案；（3）查阅机械设计等各项手册，按标准设计并用CAD/CAXA绘制出静电纺丝装置的装配二维图纸（A1图纸）；（4） 进行电纺丝实验，用扫描电子显微镜（SEM）来观察纤维的直径和排列有序性并进行分析；（5） 把整个实验过程的现象及分析（包括进行熔体静电纺丝的工艺条件，实验方案对比、变量控制，实验结果分析等）整理规整，撰写成实验报告书。四、设计方法和实施方案首先通过将所学的基础知识和专业知识，用CAD/CAXA画出二维的装配图，并且确定其材料；结合所查的中英文文献对静电纺丝接收装置进行全面的分析，通过和老师进行交流，确定好实验方案。其次运用