陳泉 周新 朱宇 李洪玲 彭寧 白續(xù)鐸

摘 要：采用滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置，用靜電紡絲法制備定向聚丙烯腈納米纖維。研究了滾筒轉(zhuǎn)速等因素對(duì)納米纖維定向性的影響，電子顯微鏡分析結(jié)果表明，在滾筒達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，可以得到定向性極佳的聚丙烯腈納米纖維。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲 聚丙烯腈 納米纖維 滾筒輔助 動(dòng)態(tài)水 定向性

中圖分類號(hào)：TQ342.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

靜電紡絲方法由于其簡(jiǎn)便性和有效性，是目前制備聚合物納米纖維的主要方法，已用于多種聚合物納米纖維的制備[1]。用靜電紡絲方法大量制備無序納米纖維即纖維氈或無紡布的技術(shù)已趨于成熟，但大量制備定向有序納米纖維仍面臨巨大挑戰(zhàn)。有序納米纖維有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如微電子領(lǐng)域、光電領(lǐng)域等，并且人們希望得到定向排列的納米纖維束以增強(qiáng)其機(jī)械性能。人們對(duì)靜電紡絲方法制備定向有序納米纖維進(jìn)行了卓有成效的研究，例如采用滾筒或轉(zhuǎn)盤接收裝置[2-3]，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)液體接受裝置等。采用滾筒作為接收納米纖維的方法是眾多定向收集方法中比較簡(jiǎn)便易行的一種。采用這種收集方法，滾筒速度是一個(gè)重要參數(shù)，然而速度并不是任意選取的，速度過低時(shí)，滾筒的表面速度趕不上電紡過程中納米纖維伸直的速度，這樣勢(shì)必造成無序纖維的沉積；速度過高時(shí)，滾筒給納米纖維施加以很大的拉伸力，這樣往往導(dǎo)致納米纖維的斷裂。然而，無論怎么控制滾筒速度，總是會(huì)得到一部分無序的納米纖維。采用液體接收與傳統(tǒng)濕法紡絲有些類似。Smit等人[4]采用該法將聚丙腈等高聚物電紡到水中槽中，將其通過手工牽引到滾筒上，然后通過滾筒打捻收集。這種得到取向納米纖維捻的方法具有潛在應(yīng)用價(jià)值。Teo等人[5]采用動(dòng)態(tài)水接收電紡纖維，即使用了兩個(gè)上下放置的水槽，并在上面的水槽底部開一小孔（孔徑5 mm），通過該小孔產(chǎn)生水的漩渦，沉積在水面的纖維在漩渦的作用下，拉伸成捻，然后通過人工牽引最終收集再滾筒上。該方法由于采用了水流的作用因而定向作用明顯好于靜態(tài)法的定向作用。但是該裝置由于利用水漩渦的作用，因而小孔不能太大，這樣不利于大規(guī)模電紡。聚丙烯腈纖維是碳纖維的前驅(qū)體，聚丙烯腈纖維的直徑越細(xì)，碳纖維的性能越好，因此制備定向性聚丙烯腈納米纖維具有重要意義。該文采用滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置在靜電紡絲中連續(xù)定向制備聚丙烯腈納米纖維，這對(duì)規(guī)模生產(chǎn)具有巨大的潛在應(yīng)用

價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)室自制分子量約為40萬聚內(nèi)烯腈（PAN），溶于DMF配置成紡絲液。紡絲用高壓靜電發(fā)生器：BGG，北京市機(jī)電研究院；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：MX2600FE，Camscan。

1.2 紡絲裝置

靜電紡絲裝置主要由高壓靜電發(fā)生器、多孔噴頭、平穩(wěn)水流和滾筒等組成，如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

圖2為不同轉(zhuǎn)速下滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置電紡PAN納米纖維的數(shù)碼照片。由圖2（a）—（d）可以觀察到，在幾種轉(zhuǎn)速下，滾筒上所接收到的納米纖維均沿著滾筒的垂直方向取向，其定向性隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，尤其在（c）1000 r/min和（d）1250 r/min的納米纖維均出現(xiàn)了明顯的集中現(xiàn)象（黑箭頭所示），這種集中的形態(tài)反映了更高的定向。

圖1 滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置圖

圖2 不同轉(zhuǎn)速下滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置電紡PAN

納米纖維的數(shù)碼照片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；

c） 1000 r/min；d） 1250 r/min。

圖3為滾筒在不同轉(zhuǎn)速下的PAN納米纖維的電子顯微鏡照片。由圖可知，纖維在250 r/min的轉(zhuǎn)速下定向性最差，而在750 r/min、1000 r/min的轉(zhuǎn)速下定向性較好，在1250 r/min時(shí)定向性最好，這也與圖2的照片相吻合。這些結(jié)果表明，只有在較高的轉(zhuǎn)速下，才能得到很好的定向聚丙烯腈納米纖維。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置電紡PAN納米纖維的SEM圖片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；c） 1000 r/min；d）1250 r/min

3 結(jié)語

采用滾筒輔助動(dòng)態(tài)水接收裝置進(jìn)行多孔噴絲的靜電紡絲方法，在滾筒轉(zhuǎn)速達(dá)到1250 r/min可以得到定向性很好的聚丙烯腈納米纖維。該方法在定向聚丙烯腈納米纖維的規(guī)模生產(chǎn)上具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Huang Z.H.，Zhang Y.Z.，Kotaki M.，et al.，Composites Science and Technology，2003，63：2223.

[2] Katta P.，Alessandro M.，Ramsier R.D.，Nano Letters，2004，4：2215.

[3] 陳玉龍，陳泉，張文晶，等.靜電紡絲法制備高定向性聚丙烯睛納米纖維束[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（35）：92.

[4] Smit E.，Buttner U.，Sanderson R.D.，Polymer，2005，46：2419.

[5] Teo W.E.，Gopal R.，Ramaseshan R.，et al.Polymer，2007，48：3400.