研究目标与内容分析与探索

在目前已有的纳米纤维制备方法与理论的研究工作中，往往是依据经验调整工艺参数和几何参数得到不同直径的纤维，并且这些研究仅限于制取无序纳米纤维，没有进行收集有序纳米纤维进而制取纳米纱线的研究，特别是对于高速离心力场作用下制备纳米纤维过程中射流、纤维、温度场、纺丝机构的多场动力学问题及其优化设计，并未开展深入系统的研究，尚未形成纳米离心纺丝的理论和技术基础体系。因此有必要通过试验测试、理论分析、数值模拟和机构优化等方法深入研究射流、纤维、纺丝机构有关动力学问题和纳米有序收集机理，探索纳米成纱原理，建立高速离心力场作用下制备纳米纤维过程的数学模型，分析溶液参数、实验设备参数、外部环境因素等工艺参数对纤维直径和形貌的影响，为克服传统纳米纤维制备方法的缺陷、提升纳米纤维质量和产量及在高速离心力场作用下制备纳米纤维、纳米成纱机构动力学的优化设计奠定基础。

关于利用高速离心纺丝法制备纳米纤维的研究，主要集中在以下几个方面。

（1）概述纳米科技、纳米材料和纳米纤维已有的研究基础，介绍几种传统纳米纤维制备方法，在此基础上总结分析高速离心纺丝法的国内外研究现状和应用成果，并提出本书的研究目标、研究内容和研究方法。

（2）研究高速离心纺丝原理和高速离心纺丝装置的组成。概述高速离心纺丝法制备纳米纤维的机理，分析离心纺丝过程中纺丝溶液浓度、纺丝喷嘴、电动机转速、收集距离、环境参数等因素对制备纳米纤维的影响。

（3）在高速离心纺丝原理的基础上，分析喷嘴内纺丝溶液流动状态以及纺丝溶液锥体的形成原理。通过建立动坐标系下喷嘴溶液运动数学模型，分析不同转速下纺丝溶液的运动规律与受力状态，探究形成纺丝溶液锥体所需临界转速与工艺参数间的关系，分析工艺参数对喷嘴中纺丝溶液运动的影响。(www.xing528.com)

（4）在高速离心纺丝原理的基础上设计出几种不同的离心纺丝喷嘴结构。以流体力学相关知识为理论基础，建立直角坐标系下离心纺丝喷嘴内二维流场，研究纺丝喷嘴内流场优化理论。通过数值模拟和正交试验相结合的方法，以纺丝溶液出口速度为试验指标，对高速离心纺丝喷嘴结构进行优化。

（5）分析高速离心纺丝过程中纺丝溶液的射流运动阶段以及射流运动原理和规律。研究离心纺丝的射流原理和机制，分析黏性流体射流运动速度分布、表面张力、离心力以及科氏力对射流运动的影响。通过建立动坐标系下的溶液射流理论模型，研究纺丝溶液射流的受力与运动规律。综合分析曲线坐标系下的射流纤维受力情况，建立高速离心纺丝射流运动方程。

（6）利用流体仿真软件对喷嘴纺丝溶液流动模型进行流动仿真。分析仿真结果，建立电动机转速、喷嘴长度、纺丝溶液浓度等工艺参数与纺丝溶液湍流动能间的关系。对高速离心纺丝溶液射流运动进行离散相模型研究。仿真模拟不同纺丝转速和不同溶液浓度下的射流运动轨迹、射流速度，分析电动机转速和射流轨迹、射流速度之间的关系以及溶液浓度对射流轨迹和速度的影响。

（7）通过高速离心纺丝实验，研究离心纺丝的制备过程，分析纺丝参数对PEO纳米纤维的影响，并在扫描电镜下观察制备的PEO纳米纤维形貌变化和直径分布，建立纳米纤维直径与工艺参数间的关系，将实验数据与理论分析相互对比验证。