Electrospinning and electrically forced jets. I. Stability theory

不稳定性 物理 电流体力学 喷射(流体) 机械 瑞利-泰勒不稳定性 旋转对称性 瑞利散射 电场 喷嘴 经典力学 静电纺丝 光学 热力学 量子力学 核磁共振 聚合物
作者
Moses M. Hohman,Michael Shin,Gregory C. Rutledge,Michael P. Brenner
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:13 (8): 2201-2220 被引量:928
标识
DOI:10.1063/1.1383791
摘要

Electrospinning is a process in which solid fibers are produced from a polymeric fluid stream (solution or melt) delivered through a millimeter-scale nozzle. The solid fibers are notable for their very small diameters (<1 μm). Recent experiments demonstrate that an essential mechanism of electrospinning is a rapidly whipping fluid jet. This series of papers analyzes the mechanics of this whipping jet by studying the instability of an electrically forced fluid jet with increasing field strength. An asymptotic approximation of the equations of electrohydrodynamics is developed so that quantitative comparisons with experiments can be carried out. The approximation governs both long wavelength axisymmetric distortions of the jet, as well as long wavelength oscillations of the centerline of the jet. Three different instabilities are identified: the classical (axisymmetric) Rayleigh instability, and electric field induced axisymmetric and whipping instabilities. At increasing field strengths, the electrical instabilities are enhanced whereas the Rayleigh instability is suppressed. Which instability dominates depends strongly on the surface charge density and radius of the jet. The physical mechanisms for the instability are discussed in the various possible limits.
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