汪傳生，都基偉，謝超林，劉偉偉**

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，北京 100000)

目前關(guān)于靜電紡絲技術(shù)的研究，大部分集中在溶液的靜電紡絲法方面，由于熔體的靜電紡絲法比溶液的靜電紡絲法應(yīng)用范圍窄，而且對(duì)紡絲裝置要求高，所制備的纖維也比較粗，所以溶液靜電紡絲法得到了更多科學(xué)工作者的青睞[1-3]。但是熔體靜電紡絲也有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：其一熔體靜電紡絲不需要溶劑，避免了因使用溶劑帶來(lái)的中毒危險(xiǎn)以及對(duì)環(huán)境的破壞；其二熔體靜電紡絲效率高，必將推進(jìn)納米纖維的工業(yè)化進(jìn)程[4]。

在熔體靜電紡絲的過(guò)程中，許多因素都對(duì)所制得的纖維直徑有一定影響，纖維的形成過(guò)程實(shí)際上是非常復(fù)雜的，微納米纖維的獲得是各種因素共同作用的結(jié)果[5-6]。筆者主要研究了紡絲溫度、紡絲電壓、噴絲口與接收裝置之間的距離等主要參數(shù)對(duì)熔體紡絲纖維直徑的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚丙烯(PP)：PP3701，流動(dòng)速率為12 g/10 min，上海尹世通新材料發(fā)展有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖1所示的熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)裝置主要由6部分組成，包括料筒及柱塞、加熱裝置、溫控裝置、噴絲頭、接收裝置以及高壓電源。料筒：長(zhǎng)度18 cm，內(nèi)徑10 mm；柱塞：前端內(nèi)徑10 mm，后端內(nèi)徑8 mm，質(zhì)量約300 g，之所以后端內(nèi)徑小，目的是便于柱塞的拔出，料筒和柱塞均由45號(hào)鋼制成；加熱裝置：采用3段組合式電加熱圈加熱的方式，分上中下3段，額定功率為300 W，鉑電阻溫度傳感器鑲嵌于料筒壁專門(mén)制作的螺紋口中，與其連接的是測(cè)溫范圍為0～400 ℃的溫度控制器；接收裝置：使用自行購(gòu)買(mǎi)剪裁的鋁箔片；高壓靜電發(fā)生器：高壓電源的電壓輸出范圍為0～60 kV，電流輸出范圍0～2 mA，天津市東文高壓電源廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)影響紡絲纖維直徑的幾個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行熔體靜電紡絲實(shí)驗(yàn)研究，包括紡絲溫度、紡絲電壓、噴絲口與接收裝置之間的距離等，采用只變1個(gè)參數(shù)，其它參數(shù)固定的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法，其好處在于可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯地顯現(xiàn)出溫度、電壓、距離等各個(gè)因素對(duì)紡絲纖維直徑大小的影響。

1.3.2 工藝條件

先確認(rèn)料筒內(nèi)干凈且無(wú)剩余廢料，柱塞能順利地插入拔出，然后接通料筒的加熱系統(tǒng)加熱至設(shè)定的溫度，料筒的溫度恒定以后，取出柱塞并將顆粒狀的原料加入料筒，把塞子重新插入料筒，用力壓實(shí)原料以排出料筒中的空氣，加熱約5～10 min，當(dāng)看到熔融的聚合物材料開(kāi)始將要從紡絲針頭向下滴時(shí)，打開(kāi)高壓電源開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)按鈕，加上一定的電壓(20～40 kV)。此時(shí)在針尖處有泰勒錐的形成，處在高壓電場(chǎng)中的帶點(diǎn)液滴的熔體噴射流就會(huì)從針尖末端飛向接收裝置。一段時(shí)間以后就會(huì)在接收裝置上收集到聚合物熔體的靜電紡絲纖維。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)紡絲纖維直徑的影響

選取4個(gè)不同的料筒溫度200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃。固定噴絲頭與接收裝置之間的距離7 cm，高壓電源的輸出電壓35 V，毛細(xì)管內(nèi)徑0.4 mm，原料選用PP3701(流動(dòng)速率12 g/10 min)。所得高分子纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖隨溫度的變化如圖3所示。

(a) 200 ℃

(b) 220 ℃

(c) 240 ℃

(d) 260 ℃圖3 不同溫度下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

圖4為圖3(c)在放大10 000倍下PP纖維的電鏡照片，從圖4可以看出纖維表面很均勻、光滑，纖維的質(zhì)量非常好。

圖4 240 ℃下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM放大圖

根據(jù)PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測(cè)量工具，得到料筒溫度與纖維平均直徑的關(guān)系如圖5所示。

料筒溫度/℃圖5 料筒溫度與纖維平均直徑的關(guān)系圖

從圖5可以看出，隨著料筒溫度的逐漸升高，制得的PP纖維的平均直徑逐漸減小。原因是溫度越高，PP熔體的粘度越小、流動(dòng)性越好，處在高壓靜電場(chǎng)中的PP纖維更容易被拉伸，所以在接收裝置上能得到直徑比較細(xì)的PP微納米纖維。但是筆者也注意到，當(dāng)料筒溫度達(dá)到260 ℃時(shí)制備的PP纖維的平均直徑略有增大，原因是溫度過(guò)高，PP熔體已有部分分解，分解的PP使得PP熔體的粘度增大，對(duì)熔體的流動(dòng)有阻礙作用，使處在靜電場(chǎng)中的噴射流拉伸受阻，因此在接收裝置上收集到的纖維直徑比較粗。而由于高溫的作用，纖維中有部分PP已經(jīng)分解，所收集到的PP纖維的顏色成土黃色。這也說(shuō)明PP聚合物的熔體靜電紡絲的溫度應(yīng)控制在260 ℃以下，以防止部分物料的高溫分解。同時(shí)紡絲的時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，最好保持在30 min以內(nèi)。聚合物PP在本實(shí)驗(yàn)條件下的最佳紡絲溫度為240 ℃，此時(shí)纖維的直徑細(xì)而且均勻。

2.2 電壓對(duì)紡絲纖維直徑的影響

選取4種不同的輸出電壓25 kV、30 kV、35 kV、40 kV。固定噴絲頭與接收裝置之間的距離7 cm，料筒的加熱溫度240 ℃，毛細(xì)管內(nèi)徑0.4 mm，選用原材料PP3701(流動(dòng)速率為1.2 g/min)。所得高分子聚合物PP纖維的SEM圖隨輸出電壓的變化如圖6所示。

(a) 25 kV

(b) 30 kV

(c) 35 kV

(d) 40 kV圖6 不同電壓下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

根據(jù)PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測(cè)量工具，制得電壓與纖維平均直徑的關(guān)系如圖7所示。

電壓/kV圖7 電壓與纖維平均直徑的關(guān)系圖

由圖7看出，隨著電壓的逐漸增高，PP微納米纖維的平均直徑越來(lái)越小。但是電壓不能無(wú)限制的增大，因?yàn)檫^(guò)大的電壓會(huì)引起靜電放電現(xiàn)象，高壓電場(chǎng)中的空氣有可能被擊穿，不利于紡絲的進(jìn)行，也對(duì)工作人員造成危險(xiǎn)。電壓也不能太小，最小的電壓值應(yīng)大于可以紡絲的臨界電壓，只有大于臨界電壓，才能使得泰勒錐被拉伸形成噴射流。當(dāng)電壓較低時(shí)，泰勒錐頂?shù)娜垠w受到的電場(chǎng)拉力較小，形成的噴射流在到達(dá)收集裝置前沒(méi)有得到足夠的拉伸，所以收集到的纖維直徑比較粗；電壓逐漸增大，熔體受到的電場(chǎng)拉力也逐漸增大，使得熔體能被充分地拉伸，收集到直徑比較細(xì)的PP纖維；當(dāng)電壓高于35 kV時(shí)，在紡絲過(guò)程中發(fā)現(xiàn)接收裝置與噴絲頭間的熔體纖維鞭動(dòng)非常劇烈，纖維的鞭動(dòng)可以進(jìn)一步拉伸纖維，使其直徑變小，但是同時(shí)劇烈的鞭動(dòng)可能會(huì)使收集到的纖維粗細(xì)不均勻，再高電壓就會(huì)發(fā)生靜電危險(xiǎn)，所以聚合物PP的最佳紡絲電壓為35 kV。

2.3 紡絲距離對(duì)紡絲纖維直徑的影響

選取5個(gè)不同的接收距離3 cm、5 cm、7 cm、10 cm、15 cm。固定料筒的加熱溫度240 ℃，高壓電源的輸出電壓35 kV，毛細(xì)管內(nèi)徑0.4 mm，選用原材料PP3701(流動(dòng)速率為12 g/10 min)。所得高分子纖維的SEM圖隨接收距離的變化如圖8所示。

(a) 3 cm

(b) 5 cm

(c) 7 cm

(d) 10 cm

(e) 15 cm圖8 不同接收距離PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

根據(jù)PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測(cè)量工具，制得接收距離與纖維平均直徑的關(guān)系如圖9所示。

接收距離/cm圖9 固定電壓時(shí)接收距離與纖維平均直徑的關(guān)系圖

從圖9可以看出，通過(guò)改變接收裝置與噴絲頭的距離，在固定電壓、溫度、噴絲頭直徑的條件下，收集到了形狀不同的PP微納米纖維，纖維的平均直徑都在11 μm以內(nèi)。收集到的纖維的直徑隨著紡絲距離的不斷增大其平均直徑?jīng)]有一直增大，而是先逐漸減小，而后又有增大的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象不是偶然，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，都得到了這樣的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。纖維直徑的這個(gè)變化規(guī)律考慮是由于當(dāng)接收距離較小時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增加，泰勒錐頂?shù)娜垠w受拉力增大，噴射流迅速被拉伸到達(dá)接收裝置，此過(guò)程由于接收距離太短，纖維拉伸的時(shí)間過(guò)短，以至收集到的纖維直徑較粗；隨著接收距離的增加，雖然電場(chǎng)強(qiáng)度有所下降，但是拉伸時(shí)間加長(zhǎng)，噴射流有足夠的時(shí)間拉伸，然后到達(dá)接收裝置，得到的纖維比較細(xì)且均勻；當(dāng)再增大接收距離，電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)減小，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度就成了影響纖維直徑的主要因素，由于電場(chǎng)強(qiáng)度消弱得太多，電場(chǎng)力太小，以至在接收裝置上收集到的PP纖維變粗。隨著接收距離的增大，所得PP微納米纖維的直徑先由大變小，而后又逐漸增大。此實(shí)驗(yàn)還需要說(shuō)明一點(diǎn)，接收裝置與噴絲頭的距離不能過(guò)小，由于電壓太高，過(guò)小的紡絲距離會(huì)發(fā)生靜電危險(xiǎn)，空氣可能會(huì)被擊穿，有閃亮的電弧出現(xiàn)，所以要控制最小的接收距離。在此實(shí)驗(yàn)條件下，聚合物PP的最佳紡絲距離為7 cm。

3 結(jié) 論

(1) 隨著紡絲溫度的升高，纖維的平均直徑逐漸減小，但是溫度不能過(guò)高，過(guò)高的溫度會(huì)使熔體發(fā)生分解，反而增大所得纖維的直徑，最佳的紡絲溫度為240 ℃。

(2) 在固定電壓的情況下，纖維平均直徑隨著接收距離的增加先減小后增大，在本實(shí)驗(yàn)中，PP的熔體靜電紡絲過(guò)程最佳的接收距離為7 cm。

(3) 在固定接收距離的情況下，隨著電壓的增加，電場(chǎng)中的噴射流熔體受到的電場(chǎng)力逐漸增大，纖維被拉伸得更細(xì)，纖維的直徑逐漸減小，但是為防止靜電放電現(xiàn)象所加電壓不宜太大。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 侍井林，戴素華.基于靜電紡絲技術(shù)制備Cu2+摻雜TiO2納米纖維的研究[J].彈性體，2006,16(4)：38-41.

[2] 胡建聰.高壓靜電紡絲法制備聚酰亞胺超細(xì)纖維無(wú)紡布膜[J].彈性體，2009,19(1):35-37.

[3] 戴素華，侍井林，馮戈，等.電紡制備苯乙烯甲基丙烯酸共聚物單軸定向納米纖維[J].彈性體，2008,18(1):35-37.

[4] 覃小紅，王新威，胡祖明，等.靜電紡絲聚丙烯睛納米纖維工藝參數(shù)與纖維直徑關(guān)系的研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31(6)：16-21.

[5] 劉蕓，戴禮興.靜電紡絲纖維形態(tài)及其主要影響因素[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2005，20(1)：25-29.

[6] 鄧榮堅(jiān).熔體靜電紡絲法制備微納米纖維的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009：28-30.