低压近场及复合框架收集静电纺丝制备功能纳米纤维及器件

摘要

静电纺丝法是一种制备一维微纳米纤维的方法。与其他制备微纳米纤维的技术方法相比，它因为原理、设别和操作都比较简单，产物丰富，适用性广，近年来得到了广泛研究。到目前为止，人们已经成功地将有机物、无机物以及生物大分子等材料的溶液或熔融液通过静电纺丝技术制备成各种微纳米结构纤维，例如传统的无纺布纤维,串珠结构纤维，带状纤维等。由于静电纺丝微纳米纤维独特的物理结构和化学性质，其在纳米传感器、催化、过滤吸附、药物释放、组织工程、太阳能电池等领域具有广泛的潜在应用。本文基于静电纺丝技术，对一维微纳米纤维在以下几个方面进行了探索和研究。
　　 首先，我们设计了一种便携式低压近场静电纺丝演示装置，通过将纺丝距离由传统的8-25 cm降低到4-14 mm，实现了纺丝电压从传统的20 kV左右降低一个数量级到3 kV以内。而且传统的静电纺丝装置就像市面上的滚筒洗衣机一般，硕大，笨重且价格昂贵。我们通过缩小纺丝针尖与收集极之间的纺丝距离，不仅降低了纺丝电压，同时实现了静电纺丝装置的集成。此外，在低压近场领域，我们进一步研究了收集位置、纺丝溶液浓度、纺丝环境湿度等对纺丝纤维形貌的影响，并对各种因素的影响规律做了分析与总结。同时也研究了在各纺丝间距下的临界纺丝电压，实验数据很好的符合了泰勒在年提出的临界电压理论公式。
　　 其次，我们结合低压近场静电纺丝，提出了一种磁场辅助的低压近场静电纺丝方法。我们通过在纺丝溶液中添加磁性纳米颗粒，同时在收集极板上加永磁铁的纺丝，使得纺丝针尖与收集极间存在强磁场。与传统的低压近场静电纺丝相比，磁场辅助的低压近场电纺用磁场力部分取代了电场力对纤维进行拉伸。实现了在同样纺丝条件下，纺丝所需的电压的大幅降低。此外我们研究了在不同磁场强度下的纺丝临界电压，发现当磁性纳米颗粒仅占纺丝溶液质量分数为0.2％时，在同样的纺丝条件下，纺丝临界电压可由原来的2 kV降低到1.4 kV,降幅高达30％，证明通过加大磁场强度或增加磁性纳米颗粒在溶液中的质量分数，可以实现更大幅度的降低纺丝电压。
　　 再次，我们通过改进传统静电纺丝装置设计了一种可以制备有序及绞线结构纤维的纺丝装置即复合框架收集静电纺丝装置。我们通过用两个复合框架外框旋转，内框不动，纺丝纤维随外框旋转，最后整齐的收集在内框上，即有序排列纤维。控制纤维一端固定不动，另一端随电机旋转，两分钟后即可得到一条绞线结构纤维绳索。在我们的实验中，我们得到的有序排列的纤维阵列长14 cm，宽12 cm，旋转之后的绞线长10 cm。同时，我们还详细研究了纺丝电压、工作距离、转速、内外框夹角等实验条件对三维堆垛结构的影响，同时也对绞线纤维的力学性质进行了测量研究。
　　 最后，我们将碳纳米管加入到纺丝溶液中提高了通过复合框架收集得到的绞线结构纤维的力学性质。同时因为碳纳米管的加入，绞线纤维的也表现出了很好的电学性质。我们将两者结合提出了一种柔性电子器件的弯曲恢复模型。详细探究了在固定曲率重复弯曲恢复时，不同掺杂溶度的绞线纤维电学性质，以及在同一掺杂浓度下，不同曲率的弯曲恢复的电学性质。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 静电纺丝概述

1．2 低压近场静电纺丝概述

1．3 磁场辅助低压近场电纺概述

1．4 电纺绞线结构纤维概述

1．5 电纺碳纳米管掺杂复合绞线结构纤维概述

参考文献

第二章 低压近场静电纺丝

2．1 前言

2．2 实验部分

2．3 结果和讨论

2．3．1 收集位置的影响

2．3．2 溶液浓度的影响

2．3．3 环境湿度的影响

2．3．4 纺丝距离的影响

2．3．5 带状纤维

2．3．6 射流拉伸过程

2．4 小结

参考文献

第三章 磁场辅助低压近场静电纺丝

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 加磁不加磁的影响

3．3．2 磁场强度的影响

3．4 小结

参考文献

第四章 复合框架收集绞线结构纤维

4．1 前言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 纤维表征

4．3．2 转速影响

4．3．3 内外框夹角

4．3．4 力学性质

4．4 小结

参考文献

第五章 碳纳米管掺杂绞线结构复合纤维

5．1 前言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌表征

5．3．2 力学性质

5．3．3 电学性质

5．3．4 柔性电子器件

5．4 小结

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

声明