开题报告_最终版

班级：机械1203班学号：2012013091

化工大学

毕业设计（论文）开题报告

论文题目：周期变化电场对熔体静电纺丝纤维的影响研究

学院名称：机电工程学院

专业：机械工程及其自动化

学生：黄丽冰

导师：勇

开题日期：2016.3.8

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，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