Aantal elektrospun-jets en nanovezelmorfologie beïnvloed door spanningswaarde:numerieke simulatie en experimentele verificatie

Resultaten en discussies

Schema van jet-evolutie en numerieke simulatie van het elektrische veld rond de elektrode met verandering in spanningswaarde

In het spinproces beïnvloeden verschillende parameters de resulterende diameters van nanovezels/deeltjes, zoals gerapporteerd door Huang et al. [29]; de lengte van de vloeistofstraal en de hoek van de vloeistofstraal kunnen nuttig zijn bij het voorspellen van de diameters van de resulterende nanovezel/deeltjes. In het TNE-spinproces zal de uitstekende druppellengte afnemen met de toename van de spanningswaarde (Fig. 1a-c) [30]. Drie uitstekende druppellengtes:lange uitstekende druppel, korte uitstekende druppel en geen uitstekende druppel worden respectievelijk gesimuleerd (Fig. 1). Zoals weergegeven in figuur 1a, vormt de polymeeroplossing bij een lage spanningswaarde een lange uitstekende druppel op de naaldpunt vanwege de zwakke elektrische kracht. In deze situatie concentreert het elektrische veld zich op de punt van de uitstekende druppel (figuur 1d). Daarom kunnen we speculeren dat er in deze omstandigheid slechts één jet zal zijn die uit de uitstekende druppelpunt zal voortkomen (figuur 1a). Met de toename van de spanningswaarde neemt de uitstekende druppellengte af vanwege de sterkere elektrische veldkracht (figuur 1b), wat in overeenstemming is met de vorige studie dat de hoogte van Taylor-kegel geleidelijk afnam naarmate de aangelegde spanning toenam van 13 naar 16 kV [31]. En het elektrische veld concentreert zich ook op de punt van de uitstekende druppel (figuur 1e), wat resulteert in één polymere straal nog steeds (figuur 1b). Wanneer de spanningswaarde echter tot een kritieke waarde stijgt, verdwijnt de uitstekende druppel (figuur 1c) en draait het sterkste elektrische veld naar de buisrand van de naaldpunt (figuur 1f). In deze situatie wordt er meer dan één jet gevormd langs de buisrand van de naaldpunt (Fig. 1c).

een –f Het schematische diagram van de jet-evolutie en de elektrische veldverdeling bij drie uitstekende druppellengtes (lange uitstekende druppel, korte uitstekende druppel, geen uitstekende druppel)

Het snelheidsvectordiagram kan een effectieve indicator zijn voor het polymere straalgetal en de straalrichting [32]. Daarom werd de snelheidsvectorgrafiek rond de naaldpunt gesimuleerd in Fig. 2b, d, waar de pijlen de snelheidsrichting aangeven en de lengte en kleur van de pijl de waarde vertegenwoordigen. De langste pijl met dieprode kleur is de plaats waar de polymere straal wordt gegenereerd. Zoals geïllustreerd in Fig. 2b, bevinden de rode kleur en de langste pijl zich voor de oplossingstip waar de enige straal wordt gevormd, wat in overeenstemming is met het elektrisch velddistributiediagram dat het elektrische veld intensiever maakt op de uitstekende druppeltip (Fig. . 2a). Anders wordt het elektrische veld sterker aan de buisrand van de naaldpunt wanneer er geen uitstekende druppel is (figuur 2c). Ondertussen worden de relatief langste en rode pijlen geactiveerd vanaf de rand van de naaldbuis (figuur 2d). Als gevolg hiervan wordt meer dan één jet gegenereerd vanaf de buisrand van de naaldpunt (Fig. 1c).

een De elektrische veldverdeling en b het snelheidsvectordiagram rond de naaldpunt (er bestaat een uitstekende druppel); c de elektrische veldverdeling en d het snelheidsvectordiagram rond de naaldpunt (er bestaat geen uitstekende druppel)

Vooral onder hoogspanningswaarde zal de uitstekende druppel verdwijnen, waarna het elektrische veld zich concentreert op de buisrand; vervolgens vormt het meer dan één straal rond de naaldpunt (Fig. 3), wat een groot effect heeft op het spinproces en de morfologie van nanovezels. Zoals te zien is in figuur 3, wordt aangenomen dat de meer jetnummers de voorkeur geven aan twee resultaten:(1) het zwakkere elektrische veld voor elke jet - ondanks de onder hoge spanningswaarde delen de verhoogde jets het beperkte elektrische veld, wat resulteert in verzwakt elektrisch veld voor elke jet eigenlijk, wat bijdraagt ​​​​aan de voorbereiding van de nanovezel met een grote vezeldiameter - en (2) onstabiel spinproces. In deze situatie, zowel de verschillende elektrische veldintensiteit van elke straal als het veranderlijke straalnummer, leidt de straalplaats tot een onstabiel spinproces. Als gevolg hiervan bevordert dit onstabiele spinproces een slechtere vezeluniformiteit met een brede verdeling van de nanovezeldiameter en zelfs een slechte nanovezelmorfologie, wat een slecht effect heeft op de membraaneigenschap zoals de membraanporositeit en de membraanporiegrootteverdeling [33], en vervolgens een slechte prestaties in sommige praktische toepassingen.

Schematisch diagram van de verdeling van het elektrisch veld en het aantal jets zonder uitstekende druppel onder hoogspanningswaarde

Experimentele verificatie door Electrospun PVDF-HFP-nanovezel

Om het effect van de verandering van de spanningswaarde op de nanovezelmorfologie te bevestigen, werden de PVDF-HFP-nanovezels gefabriceerd onder verschillende spanningswaarden. Zoals geïllustreerd in figuur 4, vertonen de PVDF-HFP-nanovezels een glad oppervlak bij alle spanningswaarden. Ondertussen neemt met de toename van de spanningswaarde de PVDF-HFP-nanovezeldiameter eerst af (1004,3 ± 184,7 nm bij 6 kV, 387,4 ± 46,6 nm bij 10 kV, 239,5 ± 20,4 nm bij 15 kV, 149,2 ± 9,5 nm bij 20 kV ) (Tabel 1) (Fig. 4a-d), die het gevolg is van de toename van de elektrische veldkracht die wordt veroorzaakt door de verhoogde spanningswaarde. De vezeldiameter neemt echter geleidelijk toe bij een spanning van 25 kV (194,2 ± 47,9 nm) (Tabel 1, Fig. 4e) en 30 kV (247,9 ± 59,6 nm) (Tabel 1, Fig. 4f). Bovendien vertoont de nanovezel eerst een smalle diameterverdeling, terwijl hij een slechte dimeterverdeling vertoont bij een spanning van 25 kV (Fig. 4e) en slechter bij een spanning van 30 kV (Fig.4f).

De morfologie van PVDF-HFP-nanovezel onder verschillende spanningswaarden a 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV en f 30 kV (de schaalbalk is 600 nm)

Om het effect van de verandering van de spanningswaarde op het jetgetal bij het draaien te bevestigen, wordt het jet-evolutieproces onder verschillende spanningswaarden getoond in Fig. 5. Het is te zien dat de uitstekende druppellengte afneemt met de toename van de spanningswaarde van 6 naar 20 kV (Fig. 5a-d). Bovendien start slechts één jet bij een spanningswaarde lager dan 20 kV, wat overeenkomt met de numerieke simulatieresultaten dat het elektrische veld dat zich concentreert op de druppelpunt één jet produceert voordat de uitstekende druppel verdwijnt. Met de toename van de spanningswaarde verdwijnt de uitstekende druppel en vormen zich twee jets aan de naaldpunt (Fig. 5e, f). Deze resultaten bevestigen verder de numerieke simulatieresultaten dat het meer dan één jet vormt vanwege het sterkere elektrische veld dat onder hoge spanning naar de buisrand van de naaldpunt draait.

De optische beelden van jet-evolutie in het spinproces onder verschillende spanningswaarden a 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV en f 30 kV (de binnendiameter van de spindop is 0,8 mm, de buitendiameter van de spindop 1,2 mm)

De diameterverdeling is een cruciale indicator voor praktische toepassing, vooral in scheidingsgebieden zoals nauwkeurige waterfiltratie die een smalle porieverdeling vereist die wordt bewerkstelligd door de diameterverdeling. Zoals weergegeven in figuur 6a, is de vezeldiameter 1004,3 ±   184,7 nm met een diameterverdeling van 495,1 tot 1347,9 nm bij een spanningswaarde van 6 kV. Voor spanning van 10 kV en 15 kV is de vezeldiameter respectievelijk 387,4 ± 46,6 nm en 239,5 ± 20,4 nm, met een smalle diameterverdeling (Fig. 6b, c). Bij de spanning van 20 kV is de vezeldiameter 149,2 ± 9,5 nm met een aanzienlijk smalle diameterverdeling van 157,6 tot 207,5 nm (figuur 6d). Bij de spanningswaarde 25 kV is de vezeldiameter 194,2 ± 47,9 nm met een brede diameterverdeling van 108,7 tot 377,8 nm (Fig. 6e). De vezeldiameter neemt toe tot 247,9 ± 59,6 nm met een veel grotere diameterverdeling van 117,2 tot 428,3 nm bij een spanningswaarde van 30 kV (Fig. 6f). Het is te zien dat de PVDF-HFP-nanovezel een relatief smalle diameterverdeling heeft wanneer de spanningswaarden lager zijn dan 20 kV. Voorbij de spanning van 20 kV vertoont de PVDF-HFP-nanovezel een slechtere uniformiteit met een grotere gemiddelde vezeldiameter. Deze resultaten tonen verder aan dat de vezeldiameter eerst afneemt, gevolgd door toename met de toename van de spanningswaarde. Bovendien vertoont het een brede diameterverdeling bij hoogspanningswaarden, wat goed in overeenstemming is met de numerieke simulatieresultaten en eerdere onderzoeken [34].

De diameterverdeling van PVDF-HFP-nanovezel onder verschillende spanningswaarden a 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV en f 30 kV

Experimentele verificatie door Electrospun PVA Nanofiber

Om het effect van verandering van de spanningsvoorziening op de nanovezelmorfologie en de evolutie van het jetgetal bij het spinnen verder te bevestigen, werden de PVA-nanovezels gefabriceerd onder verschillende spanningswaarden. Zoals weergegeven in Fig. 7, nam met de toename van de spanningswaarde de diameter van de PVA-nanovezel aanvankelijk af (spanningswaarde minder dan 20 kV), vergezeld van een geleidelijke toename bij een spanning van 25 kV (186.7 ± 43.4 nm) en 30 kV (213.6 ± 64,9 nm). Deze resultaten sluiten goed aan bij de PVDF-HFP-nanovezels. De straalevaluatie met spanningswaarde (15, 20 en 30 kV) wordt getoond in Fig. 8. Het is te zien dat de uitstekende druppellengte afneemt en slechts één straal genereert vanaf de uitstekende druppelpunt bij een spanningswaarde van 15 en 20 kV (afb. 8a, b). Bij een spanningswaarde van 30 van kV vormde zich echter meer dan één jet aan de naaldpunt (figuur 8c). De grotere stralen leiden tot twee resultaten:(1) hogere gemiddelde diameter, wat wordt bevestigd door de diameterverandering (tabel 2, afb. 9) en (2) slechtere diameterverdeling die duidelijk wordt weergegeven in afb. 9 dat de opening tussen het minimum en het maximum diameter vertoont een afnameneiging (228 nm bij 7 kV, 212 nm bij 10 kV, 169 nm bij 15 kV, 149 nm bij 20 kV,) maar een dramatische toename tot 202 nm bij 25 kV en 361  nm bij 30 kV.

De morfologie van PVA-nanovezel onder verschillende spanningswaarden a 7 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV en f 30 kV (de schaalbalk is 600 nm)

De optische beelden van jetgetal in spinproces onder spanningswaarde a 15 kV, b 20 kV, en c 30 kV (de binnendiameter van de spindop is 0,8 mm, de buitendiameter van de spindop 1,2 mm)

De diameterverdeling van PVA-nanovezel onder verschillende spanningswaarden

Conclusie van het spinproces met de verhoging van de spanningswaarde en het mechanisme Bespreking van jet-evolutie die het spinproces en de nanovezelmorfologie beïnvloedt

Op basis van de numerieke simulatie en experimentele verificatieresultaten worden het spinproces met de toename van de spanningswaarde en het mechanisme van jet-evolutie die het spinproces en de morfologie van nanovezels beïnvloedt voorlopig als volgt geconcludeerd:

Zoals getoond in Fig. 10, neemt de uitstekende druppellengte eerst af en verdwijnt geleidelijk met de toename van de spanningswaarde. Ondertussen intensiveert het elektrische veld eerst op de uitstekende druppelpunt en draait vervolgens naar de buisrand van de naaldpunt. Deze twee verschijnselen leiden tot slechts één straalvorming bij de uitstekende druppel die bestond vóór het verdwijnen van de uitstekende druppel en meer dan één straal na het verdwijnen van de uitstekende druppel (Fig. 10).

Het schematische diagram van het spinproces en de jet-evolutie met de toename van de spanningswaarde

Daarom kan het spinproces redelijk worden gescheiden door twee fasen, voor en na het verdwijnen van uitstekende druppeltjes of een stabiele en onstabiele fase (Fig. 10). Voordat de uitstekende druppel verdwijnt (stabiele fase), neemt de vezeldiameter af met de toename van de spanningswaarde en vertoont een relatief goede diameterverdeling. Na het verdwijnen van de uitstekende druppeltjes (instabiele fase), (1) neemt de vezeldiameter tegengesteld toe vanwege het zwakkere elektrische veld voor elke jet, wat eigenlijk te wijten is aan het verhoogde jetgetal en (2) was er een slechtere verdeling van de vezeldiameter, veroorzaakt door de onstabiele draaiproces (veranderbaar jetnummer, jet-sit en verschillende elektrische veldintensiteit voor elke jet). Gezien de bovenstaande discussies is de kritische waarde voordat de uitstekende druppeltjes verdwijnen de beste spanningswaarde om nanovezel te fabriceren met een fijnere vezeldiameter en een goede vezeldiameterverdeling (Fig. 10).