纳米纤维复合结构空气过滤材料性能研究

为深入探究影响纳米纤维膜过滤机制以开发和应用高端空气过滤材料,分析了静电纺纳米纤维膜和聚四氟乙烯拉伸膜与非织造布复合的空气过滤材料结构与性能,分别对其形貌、热力学性能、透气性等进行了分析与评价。实验结果表明,过滤材料本身的结构和纤维直径以及表面电势对其过滤性能影响显著,纤维直径越细,膜孔径越小,纤维间的结构会相对紧密,从而导致透气性较差,过滤效率更好。其中表面电势是影响材料过滤效率的主要因素,表面电势越高,过滤效果越好。静电纺锦纶6纳米纤维膜/聚酯纤维非织造布(PA6/PET)复合空气过滤材料表面电势最高,达1.414 kV,其过滤效率最佳,达到99.57%。PA6/木浆纸复合过滤材料表面电势最小,为0.07 kV,过滤效果仅为22.28%。

基于随机算法的纤维材料过滤特性仿真分析

为分析纤维空气过滤材料的流场演变情况,综合过滤效率及颗粒流动轨迹,基于随机算法建立了纤维空气过滤材料的三维模型,并采用计算流体力学中的欧拉-拉格朗日离散相模型,在雷诺相似准则的基础上研究了微米纤维介质中的气固流动特性。结果表明:入口速度变化对流场压力与速度场分布有明显影响,随着入口速度增大,阻滞区域面积增加,流场空隙处更易形成高速流动与速度漩涡,同时流场整体速度差增大,压力损失与入口速度呈正相关;纤维模型对平均粒径为8~18 mm颗粒的过滤效率较为稳定,均在80.4%~84%,在入口速度为2 m/s工况下,过滤效率与粒径接近正比例关系。

耐水性CA PVA纳米纤维膜的制备与性能

为制备可降解、高比表面积、吸附效率高的吸附膜材料,采用静电纺丝技术制备一种醋酸纤维素(CA)聚乙烯醇(PVA)复合纳米纤维膜。用可降解的CA为原料制备CA纳米纤维膜;为提高CA纳米纤维膜的力学性能,与PVA共混纺丝,制备了CA PVA复合纳米纤维膜;为改善膜的耐水性能,采用戊二醛(GA)蒸汽交联法对CA PVA纳米纤维膜进行交联改性处理,而后对CA PVA纳米纤维膜的表观形貌、耐水性能,力学性能以及吸附性能进行了评价分析。研究发现:CA与PVA共混后仍具有良好的可纺性;CA PVA纳米纤维膜的表面经GA交联后逐渐致密化;改性后的CA PVA纳米纤维膜在水中24 h后质量损失率由改性前的70.76%下降到7.28%;耐水性能随温度和pH值的增加而降低,在25~35℃、pH值为5的条件下,膜的质量损失率最低,为5%左右;断裂强度由0.76 MPa提高到1.51 MPa,断裂伸长率由6.31%提高到8.03%;对Cu 2+的吸附在2 h后达到平衡,最大吸附量达到89.52 mg g,说明改性后的CA PVA纳米纤维膜具有良好的耐水性能及力学性能,对重金属离子的吸附具有良好效果,为重金属废水的处理提供了一种有效方法。

黏性颗粒在不同截面形状纤维表面沉积特性的数值模拟

为了探究黏性颗粒在不同截面形状纤维表面的沉积特性,选择截面为圆形、三角形和十字形的纤维作为研究对象,通过Digimat、Solidworks建模软件构建在空间中呈随机分布的刚性三维纤维体模型;利用计算流体力学和离散单元法耦合的方法,基于laminar流场特征,引入JKR(Johnson-kendall-roberts)接触模型,对黏性颗粒在不同纤维表面的沉积特性进行气-固两相耦合数值模拟。模拟结果表明:在黏性颗粒的运动过程中,过滤机理会随时间而变化。初期,捕集主要依赖纤维表面的吸附作用,而后期主要通过纤维本身和颗粒之间的黏附团聚运动共同实现,形成了“尘滤尘”现象。此外,颗粒间滚动摩擦系数对颗粒在纤维上沉积的影响很大。滚动摩擦系数越大,颗粒之间的接触力链结构越稳定,颗粒更难脱落。在3种截面形状的纤维中,十字形截面的捕集效率最高,三角形次之,圆形最低。该研究探究了黏性颗粒与纤维之间的相互作用,优化了纤维结构和布局,为提高空气过滤材料的过滤效率提供了设计思路和理论参考。

纤维弯曲对其集合体过滤特性影响的稳态数值分析

为探究纤维过滤介质中纤维曲率对其内部速度分布、压力损失、过滤效率的影响,通过Digimat建模软件建立曲率K分别为0、2、4、6,固体体积分数为8%,在三维空间中随机分散排列的纤维过滤介质模型,结合计算流体力学方法,基于拉格朗日离散模型和Laminar流场,利用雷诺相似准则,设置入口速度分别为0.05、0.142、0.5、1、2 m/s,平均颗粒粒径为0.25、0.5、1、1.5、2.5、4、5 mm,对微米纤维模型内部气-固两相流动情况进行数值模拟。结果表明:随着纤维曲率K由0增大至6,在入口速度为0.5 m/s时,纤维曲率对速度场分布的影响不明显,速度场的分布呈无规律性;纤维曲率对模型内部压力损失有显著影响,随着纤维曲率的提高,纤维模型内部压力损失呈线性增大;纤维过滤介质的过滤效率随纤维模型曲率的增大而提高,在入口速度为1 m/s、模型曲率K为6时,对平均粒径为5 mm的颗粒过滤效率接近90%,明显高于相同粒径下K为0时的过滤效率。

高亲水性壳聚糖纳米纤维膜的制备及性能

为满足医用创伤敷料对高亲水性和抑菌性的要求,以壳聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)、甘油(GL)为原料,通过静电纺丝技术制备了PVA/CS/GL纳米纤维膜。对纳米纤维膜的形貌和结构进行表征,分析其热稳定性、亲水性、溶胀度和力学性能,并探究其抗菌性能。结果表明:当甘油质量分数为3%时,PVA/CS/GL纳米纤维膜综合性能最佳,具有较好的网状结构和均匀的纤维直径,其中甘油的添加改善了壳聚糖基纳米纤维膜亲水性差、力学强度低等不足。当加入质量分数为3%的甘油后,纳米纤维膜的接触角从53.3°降低至25.3°,在PBS缓冲液中的平衡溶胀率从239.5%提高到332.1%,拉伸强度和断裂伸长率分别从2.68 MPa、8.2%提升到5.83 MPa、17.9%。抗菌实验表明,PVA/CS/GL纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为94.39%、89.65%,表现出良好的抑菌效果。因此,该PVA/CS/GL纳米纤维膜在医用创伤敷料方面具有潜在应用价值。

碳纤维复合材料无人机叶片的仿真与分析

为得到碳纤维在无人机叶片中最优的铺层方式,通过Workbench中的ACP(ANSYS Composite PrepPost)模块,对碳纤维复合材料无人机叶片的铺层进行设计。利用SolidWorks三维建模软件建立无人机叶片的三维模型,并采用HyperMesh对叶片进行几何清理、划分网格等,利用Ansys Workbench Fluent对无人机叶片的不同转速进行流体仿真,提取叶片表面压力载荷,对不同铺层的碳纤维复合材料无人机叶片进行仿真与分析,得到碳纤维复合材料无人机叶片的力学仿真结果,并基于Tsai-Wu失效准则,计算每层铺层的失效系数,进而对比得出最优的碳纤维铺层方式为[0°,90°,90°,90°,0°]。

不同纤维结构特性下纤维集合体过滤性能的DPM数值模拟

为了探究过滤风速、纤维直径、纤维固体体积分数、纤维层厚度、纤维排列方式对纤维集合体内部气流速度分布、压力损失、过滤效率的影响,通过观察分析真实滤料结构特征和表面形态,利用Matlab随机算法,Solidworks建模软件生成直径为3-5μm、在空间中随机分布的三维纤维集合体,利用Digimat纤维建模软件生成纤维排列方向平行于X轴的三维纤维集合体,结合计算流体力学方法,基于拉格朗日离散模型和Laminar流场,利用雷诺相似准则对微米纤维模型内部气-固两相流动情况进行数值模拟。结果表明:过滤风速的增大对纤维集合体内部气相流场的影响表现为无规律性,纤维集合体内部压力损失随过滤风速的增大而增大;纤维过滤效率和压力损失随纤维固体体积分数、纤维层厚度的增大而增大;过滤效率和压力损失随着纤维直径的增大而减小;平行于X轴排列的纤维集合体的过滤效率和压力损失较空间随机分布纤维集合体的高。

高导热相变水凝胶的制备及温度响应性

传统的相变水凝胶用于温度监测时会面临响应时间长、力学性能不佳、导电性能差、相变焓低等问题。因此,文中以黄原胶和聚乙烯醇为主要原料,利用黄原胶分子的多官能团活性和分散性,对石蜡进行乳化,结合Zn2+和纳米氧化铝的离子导电性和高导热性,制备了兼具高热焓、高导热、高导电和强力学的双网络交联黄原胶/石蜡/聚乙烯醇/硼酸/锌离子/纳米氧化铝(XPPB-Zn^(2+)-Al_(2)O_(3))相变水凝胶。扫描电镜图片显示,相变微粒均匀嵌入到水凝胶的微结构中;力学测试结果显示,双交联网络赋予相变水凝胶优异的力学性能,其拉伸强度达到(0.38±0.01) MPa;差示扫描量热分析显示,水凝胶相变焓高达(180.98±3.12) J/g。此外,相变水凝胶展现出高的导热性,其热传导系数达到(0.558±0.035)W/(m·K),电阻温度系数达到1.23%℃-1,在25~60℃范围内,显示出良好的温度循环稳定性。文中所制备的高性能相变水凝胶在温度监测领域具有良好的应用前景。

纸纱∕再生涤复合纱及其针织面料的性能

为了探究纸纱/再生涤纶复合纱的可织性及其针织面料的综合服用性,采用MACH2SIG全自动电脑横机将纸纱/再生涤纶(100/0、70/30、60/40)3种复合纱编织成纬平针织物,测试纸纱/再生涤纶复合纱的条干均匀度、力学性能以及针织物的热阻、透气性、透湿性、悬垂性、折皱弹性和力学性能。利用模糊数学综合评价方法对测试结果进行分析,对纸纱/再生涤纶织物的服用舒适性做出综合评价。结果表明:随再生涤纶含量比例增加,复合纱的条干均匀度下降,断裂强力和断裂伸长率提高;3种针织物经模糊综合评价所得的评判值分别为0.2942、0.3311和0.3737。依据最大隶属度原则,纸纱/再生涤纶(60/40)织物的综合服用性能最佳。