전압 값의 영향을 받는 전기방사 제트 수 및 나노섬유 형태:수치 시뮬레이션 및 실험적 검증

결과 및 토론

제트 진화의 개략도 및 전압 값 변화에 따른 전극 주변의 전기장의 수치 시뮬레이션

방적 공정에서 Huang et al.이 보고한 바와 같이 다양한 매개변수가 생성된 나노섬유/입자 직경에 영향을 미칩니다. [29]; 유체 제트 길이 및 유체 제트 각도는 생성된 나노섬유/입자의 직경을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. TNE 방사 공정에서 돌출된 액적 길이는 전압 값이 증가함에 따라 감소합니다(그림 1a-c)[30]. 세 가지 돌출 액적 길이:긴 돌출 액적, 짧은 돌출 액적 및 돌출 액적 없음이 각각 시뮬레이션됩니다(그림 1). 그림 1a와 같이 낮은 전압 값에서 고분자 용액은 약한 전기력으로 인해 바늘 끝에 긴 돌출된 액적을 형성합니다. 이 상황에서 전기장은 튀어나온 물방울의 끝에 집중됩니다(그림 1d). 따라서 이 상황에서 돌출된 액적 팁에서 생성되는 제트는 하나만 있을 것이라고 추측할 수 있습니다(그림 1a). 전압 값이 증가함에 따라 더 강한 전기장력으로 인해 돌출된 액적 길이가 감소하는데(그림 1b), 이는 인가 전압이 13에서 16으로 증가함에 따라 Taylor 콘의 높이가 점차 감소한다는 이전 연구에 따른 것입니다(그림 1b). kV [31]. 그리고 전기장은 돌출된 액적의 끝 부분에도 집중되어(그림 1e) 하나의 폴리머 제트 스틸이 생성됩니다(그림 1b). 그러나 전압값이 임계값으로 증가하면 튀어나온 물방울이 사라지고(그림 1c) 가장 강한 전기장이 바늘 끝의 튜브 가장자리로 변합니다(그림 1f). 이 상황에서 바늘 끝의 튜브 가장자리를 따라 하나 이상의 제트가 형성됩니다(그림 1c).

아 –f 3개의 돌출된 액적 길이(긴 돌출 액적, 짧은 돌출 액적, 돌출 액적 없음)에서의 제트 전개 및 전기장 분포의 개략도

속도 벡터 다이어그램은 고분자 제트 수와 제트 방향에 대한 효과적인 지표가 될 수 있습니다[32]. 따라서 바늘 끝 주위의 속도 벡터 플롯은 그림 2b, d에서 시뮬레이션되었습니다. 여기서 화살표는 속도 방향을 나타내고 화살표 길이와 색상은 값을 나타냅니다. 짙은 붉은 색의 가장 긴 화살표는 고분자 제트가 생성되는 사이트입니다. 그림 2b에서 볼 수 있듯이 빨간색과 가장 긴 화살표는 하나의 제트가 형성되는 솔루션 팁 앞에 있으며 이는 튀어 나온 물방울 팁에 전계가 집중되는 전계 분포 다이어그램에 따른 것입니다(그림 2b). . 2a). 이와는 달리, 돌출된 액적 모양이 없을 때 니들 팁의 튜브 가장자리에 전기장이 집중됩니다(그림 2c). 한편, 상대적으로 길고 붉은 색 화살표는 바늘 튜브 가장자리에서 트리거됩니다(그림 2d). 결과적으로 니들 팁의 튜브 가장자리에서 하나 이상의 제트가 생성됩니다(그림 1c).

아 전기장 분포 및 b 바늘 끝 주위의 속도 벡터 다이어그램(돌출된 물방울이 있음); ㄷ 전기장 분포 및 d 바늘 끝 주위의 속도 벡터 다이어그램(돌출된 물방울이 존재하지 않음)

특히, 고전압 값에서 튀어 나온 물방울이 사라지고 전기장이 튜브 가장자리에 집중됩니다. 그 후 바늘 끝 주위에 하나 이상의 제트를 형성하며(그림 3), 이는 방사 공정과 나노섬유 형태에 큰 영향을 미칩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 제트 수가 많을수록 다음 두 가지 결과가 유리하다고 추측됩니다. (1) 각 제트에 대한 더 약한 전기장 - 높은 전압 값에도 불구하고 증가된 제트는 제한된 전기장을 공유하여 결과적으로 실제로 각 제트에 대한 약화 된 전기장은 큰 섬유 직경과 (2) 불안정한 방사 과정을 가진 나노 섬유를 준비하는 데 기여합니다. 이 상황에서 각 제트의 서로 다른 전기장 강도와 가변 제트 수, 제트 사이트는 모두 불안정한 방사 프로세스를 유발합니다. 결과적으로, 이러한 불안정한 방사 공정은 넓은 나노섬유 직경 분포와 심지어 나쁜 나노섬유 형태를 갖는 더 나쁜 섬유 균일성을 선호하여 멤브레인 다공성 및 멤브레인 기공 크기 분포와 같은 멤브레인 특성에 나쁜 영향을 미치며, 결과적으로 불량한 나노섬유 [33] 일부 실용적인 응용 프로그램에서 성능.

고전압 값에서 돌출된 물방울이 없는 전기장 분포 및 제트 수의 개략도

전기방사 PVDF-HFP 나노섬유에 의한 실험적 검증

전압값 변화가 나노섬유 형태에 미치는 영향을 확인하기 위해 PVDF-HFP 나노섬유를 다른 전압값에서 제작하였다. 그림 4와 같이 PVDF-HFP 나노섬유는 모든 전압값에서 매끄러운 표면을 보인다. 한편, 전압값이 증가함에 따라 PVDF-HFP 나노섬유 직경은 처음에 감소한다(6 kV에서 1004.3 ± 184.7 nm, 10 kV에서 387.4 ± 46.6 at.2kV 2nm에서 239.5 .± nm) ) (표 1) (그림 4a-d), 이는 증가된 전압 값에 의해 유도된 전기장력의 증가로 인한 것입니다. 그러나, 섬유 직경은 전압 25 kV(194.2 ± 47.9 nm)(표 1, 그림 4e) 및 30 kV(247.9 ± 59.6 nm)(표 1, 그림 4f)에서 점차적으로 증가합니다. 또한, 나노 섬유는 먼저 좁은 직경 분포를 나타내는 반면 전압 25 kV(그림 4e)에서 나쁜 직경 분포를 나타내고 전압 30 kV(그림 4f)에서 더 나쁩니다.

다른 전압 값 a에서 PVDF-HFP 나노섬유의 형태 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV 및 f 30 kV(축척 막대는 600 nm)

회전 시 전압값 변화가 제트 수에 미치는 영향을 확인하기 위해 다른 전압값에서 제트 발생 과정을 그림 5에 나타내었다. 전압값이 6에서 20으로 증가함에 따라 돌출된 액적 길이가 감소함을 알 수 있다 kV(그림 5a-d). 또한 20 kV보다 낮은 전압 값에서 하나의 제트만 시작되며, 이는 액적 팁에 집중된 전기장이 돌출된 액적 소멸 전에 하나의 제트를 생성한다는 수치 시뮬레이션 결과와 일치합니다. 그러나 전압 값이 증가함에 따라 돌출된 액적이 사라지고 바늘 끝에 두 개의 제트가 형성됩니다(그림 5e, f). 이 결과는 높은 전압 값에서 바늘 끝의 튜브 가장자리로 회전하는 더 강한 전기장으로 인해 하나 이상의 제트를 형성한다는 수치 시뮬레이션 결과를 추가로 확인합니다.

다른 전압 값 a에서 회전 과정에서 제트 진화의 광학 이미지 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV 및 f 30 kV(방사구의 내경은 0.8 mm, 방사구의 외경은 1.2 mm)

직경 분포는 특히 직경 분포에 의해 영향을 받는 좁은 공극 분포가 필요한 정밀 정수 여과와 같은 분리 영역에서 실제 적용을 위한 중요한 지표입니다. 그림 6a에서 볼 수 있듯이, 섬유 직경은 1004.3 ± 184.7 nm이며 전압 값 6 kV에서 직경 분포는 495.1에서 1347.9 nm입니다. 전압 10 kV 및 15 kV의 경우 섬유 직경은 각각 387.4 ± 46.6 nm 및 239.5 ± 20.4 nm이며 좁은 직경 분포를 나타냅니다(그림 6b, c). 20 kV의 전압에서 섬유 직경은 149.2 ± 9.5 nm이고 157.6에서 207.5 nm 사이의 상당히 좁은 직경 분포를 가지고 있습니다(그림 6d). 전압 값 25 kV에서 섬유 직경은 194.2 ± 47.9 nm이고 108.7에서 377.8 nm까지의 넓은 직경 분포를 나타냅니다(그림 6e). 섬유 직경은 전압 값 30 kV에서 117.2에서 428.3 nm까지 훨씬 더 넓은 직경 분포와 함께 247.9 ± 59.6 nm로 증가합니다(그림 6f). 전압값이 20 kV 미만일 때 상대적으로 직경 분포가 좁은 PVDF-HFP 나노섬유를 알 수 있다. 20 kV 이상의 전압에서 PVDF-HFP 나노섬유는 평균 섬유 직경이 증가함에 따라 더 나쁜 균일성을 보입니다. 이러한 결과는 섬유 직경이 먼저 감소한 다음 전압 값이 증가함에 따라 증가함을 추가로 입증합니다. 또한, 고전압 값에서 넓은 직경 분포를 보여 수치 시뮬레이션 결과 및 선행 연구[34]와 잘 일치합니다.

다른 전압 값에서 PVDF-HFP 나노섬유의 직경 분포 a 6 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV 및 f 30 kV

전기방사 PVA 나노섬유에 의한 실험적 검증

전압 공급 변화가 방사에서 나노섬유 형태와 제트 수 변화에 미치는 영향을 더 확인하기 위해 PVA 나노섬유를 다른 전압 값에서 제작했습니다. 그림 7에서 보는 바와 같이 전압값이 증가함에 따라 PVA 나노섬유 직경은 처음에 감소(전압값 20 kV 미만)하다가 전압 25 kV(186.7 ± 43.4 nm)와 30 kV(213.6 ±)에서 점차 증가하였다. 64.9 nm). 이러한 결과는 PVDF-HFP 나노섬유와 잘 일치합니다. 전압 값(15, 20 및 30 kV)에 대한 제트 평가는 그림 8에 나와 있습니다. 전압 값 15 및 20에서 돌출된 액적 길이가 감소하고 돌출된 액적 팁에서 하나의 제트만 생성하는 것을 볼 수 있습니다. kV(그림 8a, b). 그러나 kV의 전압 값 30 에서 니들 팁에서 하나 이상의 제트가 형성되었습니다(그림 8c). 증가된 제트는 (1) 직경 변화에 의해 확인되는 더 높은 평균 직경(표 2, 그림 9) 및 (2) 최소 직경과 최대 직경은 감소 경향을 나타내지만(7 kV에서 228 nm, 10 kV에서 212 nm, 15 kV에서 169 nm, 20 kV에서 149 nm,) 1kV에서 202 nm 및 25 kV에서 202 nm로 급격히 증가합니다. 피> <그림>

다른 전압 값 a에서 PVA 나노섬유의 형태 7 kV, b 10 kV, c 15 kV, d 20 kV, e 25 kV 및 f 30 kV(축척 막대는 600 nm)

전압 값 a에서 회전 과정에서 제트 수의 광학 이미지 15 kV, b 20 kV 및 c 30 kV(방사구의 내경은 0.8 mm, 방사구의 외경은 1.2 mm)

다른 전압 값에서 PVA 나노 섬유의 직경 분포

방사 공정 및 나노섬유 형태에 영향을 미치는 제트 진화의 전압 값 증가 및 메커니즘 논의를 통한 방사 공정 결론

수치적 시뮬레이션과 실험적 검증 결과를 바탕으로 전압 값이 증가하는 방사 과정과 나노섬유 방사 과정과 형태에 영향을 미치는 제트 진화 메커니즘은 다음과 같이 잠정적으로 결론지었다.

그림 10과 같이 돌출된 액적의 길이는 먼저 감소하고 전압값이 증가함에 따라 점차 사라집니다. 한편, 전기장은 먼저 돌출된 액적 팁에서 강화되고 바늘 팁의 튜브 가장자리로 변합니다. 이 두 가지 현상은 돌출된 액적 소실 이전에 존재하는 돌출된 액적에서 하나의 제트가 형성되고 돌출된 액적 소멸 후에 하나 이상의 제트가 형성되게 합니다(그림 10).

전압 값의 증가에 따른 회전 과정 및 제트 진화의 개략도

따라서 방사 과정은 돌출된 액적 소실 전과 후 또는 안정 및 불안정 단계의 두 단계로 합리적으로 구분할 수 있습니다(그림 10). 돌출된 액적 소실(안정 단계) 이전에는 전압 값이 증가함에 따라 섬유 직경이 감소하고 상대적으로 좋은 직경 분포를 나타냅니다. 돌출된 액적 소실(불안정한 단계) 후, (1) 실제로 증가된 제트 수로 인한 각 제트에 대한 더 약한 전기장으로 인해 섬유 직경이 반대로 증가하고 (2) 불안정한 회전 과정(변경 가능한 제트 수, 제트 시트 및 각 제트에 대한 다른 전기장 강도). 이상의 논의에서 볼 때, 액적 돌출이 사라지기 전의 임계값은 섬유 직경이 미세하고 섬유 직경 분포가 좋은 나노 섬유를 제조하기 위한 최상의 전압 값이다(그림 10).