董 艷， 劉呈坤, 孫潤軍， 陳美玉， 楊 旋

(1. 浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 紹興 312000; 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

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靜電紡納米纖維束的吸水保水及芯吸性能

董 艷1， 劉呈坤2, 孫潤軍2， 陳美玉2， 楊 旋2

(1. 浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 紹興 312000; 2. 西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

運用環(huán)形電極作為接收裝置獲得靜電紡納米纖維束，對獲得的纖維束進(jìn)行吸水保水及芯吸性能研究，同時對不同沉積時間和不同纖維直徑的纖維束進(jìn)行吸水和保水性能對比。結(jié)果表明：隨著沉積時間的增加，吸水倍率和保水率均有明顯增加；隨纖維直徑的增加，吸水倍率和保水率減小，但相互之間差別不大。此外，對其芯吸高度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：隨著沉積時間和定向程度的增加，芯吸高度升高；隨纖維直徑的增加，芯吸高度下降。

靜電紡絲； 聚丙烯腈； 環(huán)形電極； 納米纖維束； 吸水保水性能； 芯吸性能

20世紀(jì)90年代初，隨著靜電紡絲實驗及理論模型構(gòu)建的完善，靜電紡納米纖維研究得到快速發(fā)展，無論是科研界還是工業(yè)界都對此技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣?？偟膩碚f，靜電紡絲技術(shù)大致經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：第1階段主要研究不同聚合物體系的可紡性以及工藝參數(shù)對纖維直徑及性能的影響[1-2]；第2階段主要研究靜電紡納米纖維的形成機(jī)制及其結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控[3-5]；第3階段主要研究靜電紡纖維在能源、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、過濾、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用[6-8]；第4階段主要研究靜電紡纖維的規(guī)?；苽鋯栴}[9-13]。這4個階段并沒有明顯的界限，而是相互交融。靜電紡納米纖維集合體由于具有較高的比表面積和孔隙率，可用來制備高性能吸水材料。張春雪等[14]對比了靜電紡聚乙烯醇(PVA)超細(xì)纖維膜和澆鑄膜的力學(xué)性能和吸水性能。結(jié)果表明，PVA超細(xì)纖維膜的力學(xué)性能遠(yuǎn)低于澆鑄膜，但吸水率較澆鑄膜顯著增加。張克宏等[15]采用水熱工藝和靜電紡方法制備了PVA/MC(甲基纖維素)復(fù)合納米纖維膜。結(jié)果表明，隨著MC含量的增加，PVA的吸水倍率和保水性能均逐漸提高。然而已有文獻(xiàn)針對無規(guī)排列的納米纖維膜進(jìn)行研究，對于具有一定定向性的靜電紡納米纖維束的吸水保水性能鮮見報道。本文利用環(huán)形電極作為接收裝置通過靜電紡制備均勻納米纖維束[16]。研究沉積時間、纖維直徑以及纖維定向程度對纖維束吸水保水以及芯吸性能的影響，以期為高性能吸收吸附材料研發(fā)提供一定的借鑒，并最終推動其規(guī)模化應(yīng)用。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚丙烯腈(PAN)，山西恒天紡織新纖維科技有限公司生產(chǎn)，相對分子質(zhì)量為100 000；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)，分析純。

1.2 紡絲條件

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～16%，流量為0.3 mL/h，針頭號數(shù)為12#，收集時間為10～30 min，環(huán)形電極直徑為14 cm，接收距離為12 cm，電壓為25 kV，環(huán)境溫度為(23±2) ℃，相對濕度為(40±5)%。

1.3 實驗儀器

本文實驗采用自制立式靜電紡絲裝置，如圖1所示。主要包括：WZ-50C6微量注射泵(浙江浙大醫(yī)學(xué)儀器有限公司)、注射器、針尖銼平的注射針頭、環(huán)形電極接收裝置以及ZGF直流高壓發(fā)生器(成都川高電氣技術(shù)有限公司)；自制毛細(xì)效應(yīng)實驗裝置。

圖1 立式靜電紡絲裝置Fig.1 Vertical electrospinning system.(a) Spinning system; (b) Collecting part

1.4 纖維束制備

圖2 環(huán)形電極收集的靜電紡納米纖維束Fig.2 Electrospun fibrous bundle with ring electrode as collecting device

利用靜電紡絲裝置通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使紡絲穩(wěn)定，從而獲得沉積在環(huán)上的纖維束(如圖2所示)，然后將纖維束分別采用直接從環(huán)上揭取和放置在水中借助水流作用提高其纖維定向排列程度后測定纖維束的吸水保水及芯吸性能。

1.5 吸水和保水性能測試

吸水性[16]：將納米纖維束烘干稱量其質(zhì)量，記為W0，然后將其放在潤濕的濾紙上， 5 min后測定樣品的質(zhì)量記為W1，按照下式計算樣品在5 min后的吸水倍率。

保水性[16]：將納米纖維束烘干稱其質(zhì)量，記為W0，然后將其放在潤濕的濾紙上，每30 min將濾紙重新潤濕，8 h后將纖維束取下，稱其吸水后的質(zhì)量記為W1，然后放置在25 ℃通風(fēng)環(huán)境中，20 min后測定纖維束的質(zhì)量記為W2。按照下式計算樣品在20 min后的保水率。

1.6 芯吸性能測試

依據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》進(jìn)行測試。芯吸性能(即毛細(xì)效應(yīng))是指紡織材料或紡織品的一端，在被液體浸潤的狀態(tài)下，液體借助表面張力沿其毛細(xì)管上升的現(xiàn)象，用高度表示。毛細(xì)效應(yīng)計算公式為

式中：H為試樣平均毛細(xì)效應(yīng)，cm/30 min；hi為各條試樣毛細(xì)效應(yīng)最低值；n為試樣條數(shù)。

為方便觀察實驗現(xiàn)象，在三級水中加入了紅色染料。實驗時，調(diào)整儀器使液面均處于標(biāo)尺的零位，將試樣放在夾樣裝置里夾緊，在試樣下端8～10 mm處施加3 g張力，張力夾上平面與標(biāo)尺的零位線對齊，開始測試，1 h 時立刻量取每根試樣條的芯吸高度。測3次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維束吸水性能分析

2.1.1 沉積時間對纖維束吸水性影響

不同沉積時間條件下，得到的靜電紡納米纖維束的吸水倍率計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同沉積時間條件下得到的纖維束的吸水倍率Tab.1 Water absorbency rate for fibrous bundles obtained at different deposition time

測試結(jié)果表明，隨著纖維沉積時間的增加，纖維束中的纖維根數(shù)增加，形成的毛細(xì)管通道數(shù)量更多，水分可及纖維總表面積也變大，因而吸水量增加，吸水倍率變大。

2.1.2 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維束吸水性影響

收集時間為20 min，不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下得到的靜電紡納米纖維束的吸水倍率計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下得到的纖維束的吸水倍率Tab.2 Water absorbency rate for fibrous bundles obtained at different solution concentration

測試結(jié)果表明，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，纖維束的吸水倍率會稍微減小。這是因為當(dāng)沉積時間一致時，纖維束中的毛細(xì)管通道數(shù)量基本相同，而比表面積會隨著纖維直徑的增加而減小，所以吸水倍率減小，但數(shù)據(jù)差別并不大。對照表1數(shù)據(jù)可得出結(jié)論，影響吸水倍率的主要因素為纖維間形成的毛細(xì)管通道數(shù)量，其次為比表面積。

由上可知,在不同收集時間和不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,得到纖維束的吸水倍率都達(dá)到了10倍以上,均顯著高于研究人員利用靜電紡獲得的無規(guī)PVA納米纖維膜在相同時間內(nèi)的吸水倍率值[14-15]。值得注意的是， PAN的吸濕性能還要小于PVA，導(dǎo)致此結(jié)果的原因可歸結(jié)為：環(huán)形電極對所紡纖維束有限制沉積和使纖維宏觀上沿圓周方向達(dá)到一定程度定向排列的作用。這使得纖維之間形成更加微細(xì)的毛細(xì)管道，而且纖維具有的宏觀相對有序排列使得毛細(xì)管道更加通暢。

2.2 納米纖維束保水性能分析

2.2.1 沉積時間對纖維束保水性影響

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，不同沉積時間條件下得到的靜電紡納米纖維束的保水率計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同沉積時間條件下得到的纖維束的保水率Tab.3 Water retention rate for fibrous bundles obtained at different deposition time

測試結(jié)果表明，隨著纖維沉積時間的增加，纖維束的保水率明顯增加。由于在同一紡絲工藝條件下所紡得的纖維束，其纖維直徑分布是相同的，因此，比表面積也基本相同。這樣，影響其保水性的主要原因就是纖維束中的毛細(xì)管數(shù)量。隨著沉積時間的增加，纖維束中的毛細(xì)管數(shù)量增多，因而保水性好；另外，隨著沉積時間增加，纖維束中的纖維根數(shù)增加，纖維束內(nèi)部的水分由于受到更大的擴(kuò)散阻力也無法很快散失，也導(dǎo)致保水率增大。

2.2.2 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維束保水性影響

收集時間為20 min，不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下得到的靜電紡納米纖維束的保水率計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下纖維束的保水率Tab.4 Water retention rate for fibrous bundles obtained at different solution concentration

測試結(jié)果表明，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維束的保水率微弱減小。這是因為，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維束中纖維的平均直徑變大，因而其比表面積變小，水分揮發(fā)速度變快，保水率逐漸減小。而三者之間的保水率差異并不大，這主要是由于沉積時間一致時，毛細(xì)管的數(shù)量基本相同。這也表明，保水性能同上述吸水性能得出的結(jié)論一樣，其首先決定于纖維之間的毛細(xì)管數(shù)量，其次才是纖維的比表面積。

由上可知，在不同收集時間和不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,纖維束的保水率要小于文獻(xiàn)報道的對應(yīng)值[16]。原因可歸結(jié)為：PAN的線性大分子鏈之間并沒有產(chǎn)生交聯(lián)形成分子網(wǎng)絡(luò)；而交聯(lián)度越低，吸水倍率通常相對越高，其保水性和穩(wěn)定性反而越低。

2.3 納米纖維束芯吸性能分析

2.3.1 沉積時間對纖維束芯吸性影響

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，沉積時間為10、20和30 min時，得到的靜電紡納米纖維束的芯吸高度分別為3.6、5.6和7.9 cm。表明隨著沉積時間的增加，纖維束的平均芯吸高度增加。同等紡絲條件下所紡得的纖維，其直徑分布是相同的，比表面積也基本一致。隨著沉積時間的增加，纖維束中的纖維根數(shù)會增加，形成的毛細(xì)管數(shù)量增加，從而毛細(xì)效應(yīng)也愈明顯。

2.3.2 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維束芯吸性影響

收集時間20 min，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14%、15%和16%時，得到的靜電紡納米纖維束的芯吸高度分別為9.5、8.3和7.9 cm。數(shù)據(jù)表明，隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的芯吸高度減小。這主要是由于在相同的沉積時間內(nèi)所紡纖維束中的毛細(xì)管數(shù)量基本一致，但是隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維平均直徑增大，比表面積減小，吸附性能減弱，減小了水分的擴(kuò)散面積，因此，其芯吸高度較溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低時下降。

2.3.3 定向性對纖維束芯吸性影響

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，收集時間為30 min，直接從環(huán)上揭取與通過水流作用提高纖維定向程度后的纖維束的芯吸高度分別為7.9和9.3 cm。這表明，纖維束中纖維定向程度得到提高之后，芯吸高度增加。這是由于定向排列程度提高后的纖維束，纖維排列更加趨于平行，纖維之間的毛細(xì)管道比直接揭取的纖維束更加通暢，因而更利于纖維束對水分的傳導(dǎo)，從而芯吸高度增加。

3 結(jié) 論

本文利用環(huán)形電極作為接收裝置得到納米纖維束，并對其進(jìn)行吸水保水以及芯吸性能測試。對不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及不同沉積時間條件下得到的纖維束作對比性實驗得出，纖維束的吸水保水性能主要取決于纖維束內(nèi)部毛細(xì)管的數(shù)量，其次為比表面積。對比在不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沉積時間、定向程度下獲得的纖維束的芯吸高度得出，纖維束的芯吸高度不僅與毛細(xì)管數(shù)量有關(guān)，還受其毛細(xì)管道的通暢程度影響。

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Water absorbency, retention and wicking properties of electrospun fibrous bundles

DONG Yan1, LIU Chengkun2, SUN Runjun2, CHEN Meiyu2, YANG Xuan2

(1.ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing,Zhejiang312000,China;2.SchoolofTextileandMaterials,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

A self-made vertical electrospinning device with a ring electrode as the collector was used to produce electrospun nanofibers. Influences of deposition time, diameter of fiber and orientation of fibrous bundles for water absorbency and retention and wicking properties were studied. Results show that water absorbency and water retention rate are both increased with the increase of deposition time, while they show a slight decreasing trend with the increase of the diameter of fiber. In addition, the wicking height of fibrous bundles increased with the increase of the deposition time and the degree of orientation. However, the wicking height decreased with the increase of the fiber diameter.

electrospinning; polyacrylonitrile; ring electrode; nanofibrous bundle; water absorbency and retention; wicking property

10.13475/j.fzxb.20140805405

2014-08-26

2014-11-10

浙江省高等教學(xué)課堂教學(xué)改革項目(kg2013801); 陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(13JS035)

董艷(1981—)，女，講師，碩士。主要從事納米紡織新產(chǎn)品的研發(fā)。劉呈坤，通信作者，E-mail：fzlck@126.com。

TQ 340

A