阅读说明：本技术 一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用 (Structural fiber for overcoming Rayleigh unstable behavior of fluid and application ) 是由 刘欢 吕聪 王鹏伟 江雷 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用,针对现有的圆柱状纤维上的液体涂层由于流体的瑞利不稳定行为容易形成纺锤结,很难在圆柱状纤维上实现均匀、平滑的液膜的问题提出。本发明提供的上述结构纤维是在单根圆柱状纤维的基础上并排引入尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维,得到非圆形横截面的结构纤维。与传统的单根圆柱状纤维相比,本发明提供的上述结构纤维具有简单、高效、低成本且能够克服流体在纤维上因瑞利不稳定现象而导致的液体不均匀平滑铺展的优势。利用本发明提供的上述结构纤维可以实现液体在纤维上的平滑均匀铺展成膜,从而可以将其应用在纤维涂覆、微流体运输及微型检测等方面。(The invention discloses a structural fiber for overcoming the Rayleigh unstable behavior of fluid and application thereof, and aims to solve the problem that a liquid coating on the existing cylindrical fiber is difficult to realize a uniform and smooth liquid film on the cylindrical fiber because a spindle knot is easily formed due to the Rayleigh unstable behavior of the fluid. The structural fiber provided by the invention is characterized in that cylindrical fibers with the same size and surface energy are introduced side by side on the basis of a single cylindrical fiber to obtain the structural fiber with a non-circular cross section. Compared with the traditional single cylindrical fiber, the structural fiber provided by the invention has the advantages of simplicity, high efficiency, low cost and capability of overcoming the defect of uneven and smooth spreading of liquid on the fiber due to the Rayleigh instability phenomenon of the fluid. The fiber with the structure provided by the invention can realize smooth and uniform spreading and film forming of liquid on the fiber, so that the fiber can be applied to the aspects of fiber coating, microfluid transportation, micro detection and the like.)

一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用。

背景技术

液体液柱总是会分解成球形液滴以实现表面能的最小化，这种常见现象被称为普拉托-瑞利不稳定性(Plateau-Rayleigh Instability)，也称为毛细管不稳定性。这种由普拉托-瑞利不稳定性造成的不均匀液膜不利于通过流体涂覆、静电纺丝和微流体技术制备复合纤维。

先前研究表明，空间限制可以抑制瑞利不稳定性，但它目前主要是在某些极端条件(例如高温)下的半封闭体系中操作，这很难适用于各种液体和开放体系。目前为止，实现克服流体瑞利不稳定性的方法主要有表面活性剂法、UV/高温固化处理或利用某些特定的化学反应，然而，这些方法会受到材料及液体成分的限制，并且还会造成资源浪费，污染环境。

因此，如何提供一种在温和条件下克服瑞利不稳定性的简单而通用的方法，是本领域研究人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用，用以解决现有的圆柱状纤维上液体易形成纺锤结，很难实现液体在纤维上保持均匀平滑的液膜的问题。

因此，本发明提供了一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维：

所述结构纤维包括并排的至少两根尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，所述结构纤维的横截面为尺寸相同且并排排列的至少两个圆。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述结构纤维中各圆柱状纤维的材料相同；或者，所述结构纤维中至少两根圆柱状纤维的材料不同，各圆柱状纤维的表面能相同，材料不同的圆柱状纤维的表面能通过表面化学修饰实现改性。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述圆柱状纤维的材料为聚合物、无机氧化物和金属中的任意一种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述结构纤维的长度范围为0.01mm～100m。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，每根圆柱状纤维的直径范围为10nm～100cm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述结构纤维的表面为光滑表面。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述结构纤维为一体成型结构；或者，

所述结构纤维由至少两根圆柱状纤维并排拼接而成；每相邻的两根圆柱状纤维之间通过粘接剂粘接，或者，每相邻的两根圆柱状纤维之间通过界面聚合的方式化学交联固定。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，所述圆柱状纤维的数量为2或3或4。

本发明还提供了一种结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的测试方法，所述结构纤维为本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维，包括如下步骤：

S1：将结构纤维沿着纤维长轴方向匀速拉出液体池；

S2：将经过液体池后的结构纤维静置，观察液体在结构纤维上的铺展行为，记录液体聚集成纺锤结的时间，根据液体聚集成纺锤结的时间长短，测试结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的能力；

S3：返回步骤S1，重复执行步骤S1和步骤S2，仅改变结构纤维的拉出速度；

S4：返回步骤S1，重复执行步骤S1和步骤S2，仅更换液体池中的液体。

本发明还提供了一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维的应用，所述结构纤维用于实现纤维涂覆、微流体运输以及微型检测。

本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用，针对现有的圆柱状纤维上的液体涂层由于流体的瑞利不稳定行为容易形成纺锤结，很难在圆柱状纤维上实现均匀、平滑的液膜的问题提出。本发明提供的上述结构纤维是在单根圆柱状纤维的基础上并排引入尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，得到非圆形横截面的结构纤维，例如双根圆柱状纤维、三根圆柱状纤维或四根圆柱状纤维并排拼接得到的结构纤维。与传统的单根圆柱状纤维相比，本发明提供的上述结构纤维具有简单、高效、低成本且能够克服流体在纤维上因瑞利不稳定现象而导致的液体不均匀平滑铺展的优势。利用本发明提供的上述结构纤维可以实现液体在纤维上的平滑均匀铺展成膜，从而可以将其应用在纤维涂覆、微流体运输及微型检测等方面。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维的结构示意图；

图2为图1所示的结构纤维的横截面示意图；

图3为现有的单根圆柱状纤维的结构示意图；

图4为图3所示的单根圆柱状纤维的横截面示意图；

图5为图1所示的结构纤维上液体铺展的示意图；

图6为图1所示的结构纤维上液体铺展的横截面示意图；

图7为图3所示的单根圆柱状纤维上液体铺展的示意图；

图8为图3所示的单根圆柱状纤维上液体铺展的横截面示意图；

图9为本发明提供的一种结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的测试方法的流程图；

图10为本发明实施例1中双根平行纤维和单根圆柱状纤维的液体铺展的光学图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维：

如图1所示，结构纤维包括并排的至少两根尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，如图2所示，结构纤维的横截面为尺寸相同且并排排列的至少两个圆。

图1和图2均以结构纤维包括并排的两根圆柱状纤维为例。具体地，结构纤维中各圆柱状纤维的尺寸相同，即各圆柱状纤维的横截面的直径相同，且各圆柱状纤维的长度相同。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，圆柱状纤维的数量可以为2，即结构纤维可以包括并排的双根尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维(如图1所示)，结构纤维的横截面为尺寸相同且并排排列的两个圆(如图2所示)；或者，圆柱状纤维的数量也可以为3，即结构纤维也可以包括并排的三根尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，结构纤维的横截面为尺寸相同且并排排列的三个圆；或者，圆柱状纤维的数量还可以为4，即结构纤维还可以包括并排的四根尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，结构纤维的横截面为尺寸相同且并排排列的四个圆，在此不做限定。而现有的单根圆柱状纤维如图3所示，横截面为如图4所示的圆形。

将如图1和图2所示的结构纤维和如图3和图4所示的单根圆柱状纤维进行克服流体瑞利不稳定行为的测试。结构纤维从液体池匀速拉出后，液体在结构纤维的表面平滑均匀铺展成膜，如图5所示，横截面如图6所示，因此，可以有效克服流体瑞利不稳定行为。单根圆柱状纤维从液体池匀速拉出后，液体会在单根圆柱状纤维上因表面能的原因凝聚成纺锤结，如图7所示，横截面如图8所示。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，结构纤维中各圆柱状纤维的材料可以相同；或者，结构纤维中可以存在材料不同的圆柱状纤维，即结构纤维中至少两根圆柱状纤维的材料不同，只需保证各圆柱状纤维的表面能相同即可，材料不同的圆柱状纤维的表面能可以通过表面化学修饰实现改性。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，圆柱状纤维的材料可以为聚合物，例如，聚己二酰己二胺(polyhexamethyleneadipamide,PA66)；或者，圆柱状纤维纤维的材料也可以为无机氧化物，例如，二氧化硅(SiO₂)，氧化锌(ZnO₂)，氧化钛(TiO₂)，氧化铝(Al₂O₃)等；或者，圆柱状纤维的材料还可以为金属，例如，铜，铂，铁，铝等；在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，如果结构纤维的长度过长，在结构纤维的制作过程中容易出现纤维折断的情况，如果结构纤维的长度过短，又会出现观察液体运动情况不够精确的问题，因此，为了避免上述问题，可以将结构纤维的长度控制在0.01mm～100m范围。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，如果各圆柱状纤维过细，在结构纤维的制作过程中容易出现纤维折断的情况，如果各圆柱状纤维过粗，为了覆盖整个纤维所需液体量过大，因此，为了避免上述问题，可以将结构纤维中每根圆柱状纤维的直径控制在10nm～100cm范围。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，结构纤维的尺寸主要由平行并排排列的圆柱状纤维的数量决定。圆柱状纤维的数量越多，结构纤维表面包裹液体后形成的横截面的离心率就越小，会影响结构纤维克服流体瑞利不稳定的能力。在实际应用中，结构纤维包括的圆柱状纤维的数量需要根据结构纤维的长度进行设计。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，结构纤维的表面可以为光滑表面，具有光滑表面的结构纤维也能够克服流体瑞利不稳定行为，也就是说，结构纤维能够克服流体瑞利不稳定行为并非是由于纤维的表面粗糙度，而是由于结构纤维本身的结构。当然，结构纤维的表面也可以为粗糙表面，克服流体瑞利不稳定行为的能力可以进一步增强，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维中，结构纤维可以为一体成型结构，即结构纤维中的所有圆柱状纤维为一体成型结构；或者，结构纤维也可以由至少两根圆柱状纤维并排拼接而成；在此不做限定。具体地，结构纤维中圆柱状纤维的拼接方式可以如下：每相邻的两根圆柱状纤维之间可以通过粘接剂粘接；或者，每相邻的两根圆柱状纤维之间也可以通过界面聚合的方式化学交联固定，在此不做限定。具体地，界面聚合可以为光诱导界面聚合，或者，界面聚合也可以为热诱导界面聚合，或者，界面聚合还可以为溶剂诱导界面聚合，在此不做限定。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的测试方法，结构纤维为本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维，如图9所示，包括如下步骤：

S1：将结构纤维沿着纤维长轴方向匀速拉出液体池；

具体地，将结构纤维拉直后，可以牵引结构纤维的一端将其拉出液体池，牵引速度可以根据实际情况和不同的液体进行调控；需要说明的是，由于纤维具有一定弹性，因此，在拉直纤维时不能过度用力，以防止纤维变形；液体池中的液体可以为水，或者，也可以为硅油，氯仿，有机溶剂等溶液，在此不做限定；

S2：将经过液体池后的结构纤维静置，观察液体在结构纤维上的铺展行为，记录液体聚集成纺锤结的时间，根据液体聚集成纺锤结的时间长短，测试结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的能力；

具体地，将结构纤维拉出液体池后仍需保持伸直状态，静置时间可以根据实际情况和选用液体自由设置；液体的铺展行为即液体是否出现瑞利不稳定现象；

S3：返回步骤S1，重复执行步骤S1和步骤S2，仅改变结构纤维的拉出速度；

具体地，可以设计结构纤维的拉出速度为变量，测试结构纤维在不同拉出速度下克服流体瑞利不稳定的能力；

S4：返回步骤S1，重复执行步骤S1和步骤S2，仅更换液体池中的液体；

具体地，可以设计液体种类为变量，测试结构纤维在不同液体粘度下克服流体瑞利不稳定的能力。

本发明提供的上述结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的测试方法，具有成本低、原料易得、工艺简单等优点。

下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述结构纤维克服流体瑞利不稳定行为的测试方法的具体实施进行详细说明。

实施例1：

第一步，分别使用由双根圆柱状纤维并排拼接而成的结构纤维(为表述方便，下面简称双根平行纤维)和单根圆柱状纤维，二者保持伸直状态；为了比较两种结构的纤维克服流体瑞利不稳定的能力，需要两种结构的纤维表面能相同，长度相同，且双根平行纤维中每根圆柱状纤维的横截面与单根圆柱状纤维的横截面尺寸相同；本实施例1中两种结构的纤维材料为PA66，长度为50cm，双根平行纤维中每根圆柱状纤维的横截面与单根圆柱状纤维的横截面的半径为50μm；

第二步，将双根平行纤维和单根圆柱状纤维分别从液体粘度为100cSt的液体池中以1cm/s的速度匀速拉出；

第三步，分别将拉出液体池的双根平行纤维和单根圆柱状纤维静置，直至观察到单根圆柱状纤维上液体因表面能的原因凝聚成纺锤结为止。

下面比较实施例1中两种结构的纤维(双根平行纤维和单根圆柱状纤维)克服流体瑞利不稳定的能力。通过记录单根圆柱状纤维上液体因表面能的原因而聚集成纺锤结出现的时间，可以比较出两种结构的纤维克服流体瑞利不稳定的能力。对比后发现，如图10所示，液体在单根圆柱状纤维上很快就出现瑞利不稳定现象，即液体聚集成纺锤结，所用时间仅为1.5s；液体在双根平行纤维上可以长时间保持平滑均匀液膜的状态，在50s的时间仍然未出现瑞利不稳定现象，是单根圆柱状纤维的33.3倍。由此说明，与传统的圆柱状纤维相比，本发明实施例1中的双根平行纤维具有简单、高效、低成本且能够克服流体瑞利不稳定的优势。利用本发明实施例1中的双根平行纤维可以实现液体在纤维上的平滑均匀铺展成膜，从而可以将其应用在纤维涂覆、微流体运输及微型检测等方面。

当然，本发明除了可以采用聚合物材料制作结构纤维，还可以采用无机氧化物或金属制作结构纤维，在此不做赘述。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种结构纤维的应用，结构纤维为本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维，可以用于实现纤维涂覆、微流体运输以及微型检测。

本发明提供的上述用于克服流体瑞利不稳定行为的结构纤维及应用，针对现有的圆柱状纤维上的液体涂层由于流体的瑞利不稳定行为容易形成纺锤结，很难在圆柱状纤维上实现均匀、平滑的液膜的问题提出。本发明提供的上述结构纤维是在单根圆柱状纤维的基础上并排引入尺寸相同且表面能相同的圆柱状纤维，得到非圆形横截面的结构纤维，例如双根圆柱状纤维、三根圆柱状纤维或四根圆柱状纤维并排拼接得到的结构纤维。与传统的单根圆柱状纤维相比，本发明提供的上述结构纤维具有简单、高效、低成本且能够克服流体在纤维上因瑞利不稳定现象而导致的液体不均匀平滑铺展的优势。利用本发明提供的上述结构纤维可以实现液体在纤维上的平滑均匀铺展成膜，从而可以将其应用在纤维涂覆、微流体运输及微型检测等方面。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。