肖波齊，涂 星,王宗篪,范金土

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.深圳大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳518060；3.美國康奈爾大學(xué) 纖維科學(xué)與服裝設(shè)計系，紐約伊薩卡）

靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維及其滲透性能研究

肖波齊1，涂 星2,王宗篪1,范金土3

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.深圳大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳518060；3.美國康奈爾大學(xué) 纖維科學(xué)與服裝設(shè)計系，紐約伊薩卡）

使用靜電紡絲技術(shù)制備了納米纖維，然后計算了納米纖維的孔隙率，接著采用掃描電子顯微鏡觀測了納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)，最后討論了納米纖維的滲透率與孔隙率的函數(shù)關(guān)系，研究結(jié)果表明，納米纖維的滲透率隨孔隙率的增加而增加。該研究為功能性衣服的開發(fā)和高效過濾系統(tǒng)的設(shè)計奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

納米纖維；滲透率；孔隙率

最近幾年，隨著多孔納米材料技術(shù)的快速發(fā)展，多孔納米纖維（nanofiber）的研究得到了科研人員的高度重視和關(guān)注［1-7］。如美國西北大學(xué)Silva等人［8］利用掃描電子顯微鏡觀測了納米纖維的微觀幾何結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)干細(xì)胞能在多孔納米纖維上選擇性的分化；這一重大成果開創(chuàng)了多孔材料與定向分化新結(jié)合的歷史，同時也為多孔納米纖維開辟了一個新的研究領(lǐng)域；該研究成果發(fā)表在世界頂級學(xué)術(shù)期刊SCIENCE上面。另外，據(jù)文獻(xiàn)報到［9］，多孔納米纖維網(wǎng)目前已經(jīng)應(yīng)用在空氣過濾等方面，圖1是目前商用的610 nm纖維網(wǎng)制成的納米纖維筒狀空氣過濾器裝置，該裝置可達(dá)24 h 10000m2的高產(chǎn)量，過濾效果很好。

圖1　商用的納米纖維筒狀空氣過濾器裝置

由于多孔納米纖維具有比表面積大、孔隙率高和滲透性能好等優(yōu)點(diǎn)，納米纖維技術(shù)已經(jīng)在紡織、新能源、生命醫(yī)藥、電子、機(jī)械、化工、建筑材料等領(lǐng)域得到了很大的應(yīng)用。如將納米微粒填充到纖維中，或者將納米微粒進(jìn)行改性處理，然后再將納米微粒與纖維結(jié)合，這樣的納米纖維擁有抗菌、防靜電、阻燃以及防紫外等一定的特殊功能。盡管納米纖維具有小尺寸效應(yīng)，但納米效應(yīng)最顯著的部分是尺寸小于20 nm的材料，目前通過靜電紡技術(shù)還無法大量獲得直徑小于20 nm的纖維。目前制備納米纖維有很多方法，如靜電紡絲法、模板合成法、海島雙組分復(fù)合紡絲法、高分子限定域合成法、分子噴絲板紡絲法等等，而靜電紡絲法是一種高效且最常用的一種方法。使用靜電紡絲技術(shù)除了能夠制備聚合物納米纖維外，還可以得到含有特定功能的無機(jī)納米顆粒的復(fù)合纖維，從而獲得功能性的無紡布材料。目前靜電紡絲技術(shù)可能是生產(chǎn)納米纖維薄膜（無紡布）最為常用和有效的手段，而無紡布技術(shù)用得最多的是污水的處理。納米纖維的滲透率是其過濾性能的一個重要參數(shù)，它表達(dá)了納米纖維對污水和地溝油的過濾性能。本文首先用靜電紡絲技術(shù)來制備了納米纖維，接著用掃描電子顯微鏡觀測了納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)，最后研究了納米纖維的滲透率。

1　靜電紡絲機(jī)的技術(shù)參數(shù)和工作原理

1.1靜電紡絲機(jī)的技術(shù)參數(shù)

靜電紡絲設(shè)備一種基于電紡絲技術(shù)利用聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場中的噴射作用制備超細(xì)纖維的裝置。圖2所示為實驗中我們使用的DT-100型靜電紡絲機(jī)，該靜電紡絲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

電 源 ：AC220V，50Hz；功率：500W；外型尺寸：長930×高660×深800；使用環(huán)境：溫度0～40，相對濕度≤80%；控制方法：觸摸屏控制；噴絲裝置：可御式多針頭（4頭）；微量推進(jìn)：0.1～20 mL/h；紡絲電壓：0～45 kV；收集滾筒直徑：20 cm；收集滾筒轉(zhuǎn)速：20～300 r/min；噴頭與滾筒距離：5～30 cm；橫向移動速度：0～30 mm/s；縱向移動速度：0～30 mm/s；橫向幅寬：50 cm；可紡纖維細(xì)度：100～1000 nm

圖2　DT-100型靜電紡絲機(jī)

1.2靜電紡絲機(jī)的工作原理

靜電紡絲法就是聚合物噴射靜電拉伸紡絲法，與以前的方法是不同的。是將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏的高壓靜電，這樣帶電的聚合物液滴就在電場力的作用下在毛細(xì)管的泰勒錐錐頂點(diǎn)被加速（見圖3）。當(dāng)電場力達(dá)到足夠大的時候，聚合物液滴克服表面張力就形成了噴射細(xì)流。然后細(xì)流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)或固化，最終落在接收裝置上，最終形成類似非織造布狀的纖維氈（見圖4），這種非織造布狀的納米纖維對污水的過濾效果非常好。在如圖3所示的靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓并處于一個電場之中，所以，當(dāng)射流從毛細(xì)管末端向接收裝置運(yùn)動時，就會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，所以導(dǎo)致了射流在電場中的拉伸。

圖3　靜電紡絲機(jī)工作原理圖

圖4　納米纖維氈

1.3納米纖維的制備和其微觀結(jié)構(gòu)

實驗中，把紡絲液注入圖3中注射器的針筒內(nèi)，使用了同種規(guī)格的針頭（d=2.5mm）和針管（容積為12mL），設(shè)置靜電紡絲機(jī)的技術(shù)參數(shù)為：電壓 18kV，接受距離為 16cm，溶液流速為 1mL/h。這樣，使用靜電紡絲實驗設(shè)備（圖2）制得了納米纖維無紡布（見圖5），使用這種無紡布從溶液中可以有效過濾除去微米尺寸的微球。采用日本JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡SEM觀測了圖5中納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)，掃描電壓為18 kV，其放大倍數(shù)為6000倍。從該納米纖維的 SEM圖可以看到，該無紡布呈現(xiàn)出纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)，孔隙很大，纖維的鋪疊比較緊密。如果該纖維網(wǎng)的孔徑再減小的話，可以更好的隔離病毒和細(xì)菌。這種納米纖維可以作為防護(hù)過濾材料如污水處理，它的特征在于這樣的材料為層狀結(jié)構(gòu)，而且中間層是高分子納米纖維膜材料，納米纖維直徑一般為30～1800 nm，外層分別是一層或多層天然纖維或合成纖維或兩者的混紡纖維的編織物或無紡布，這種普通纖維直徑一般為3～100 μm。

圖5　納米纖維/無紡布復(fù)合材料的 SEM圖（6000×）

1.4納米纖維氈孔隙率（Φ）的計算

在該實驗中，取的樣品面積為16 cm2，在一個大氣條件下平衡 36 h后用電子天平稱該樣品的質(zhì)量（m），然后用千分尺測出該樣品的厚度（h），最后根據(jù)公式（1）計算該樣品的孔隙率［10］。在公式（1）中，納米纖維氈的面密度ρa(bǔ)f=m/A，m為纖維氈的質(zhì)量，A為纖維氈的面積，h為纖維氈的厚度，ρf為纖維材料的密度。

在該實驗中，取了幾個不同的樣品，經(jīng)過計算孔隙率基本在0.84～0.90之間，說明納米纖維的孔隙率非常高，中間幾乎是空的，有利于工業(yè)和農(nóng)業(yè)中的污水處理和有害氣體方的過濾。

2　納米纖維滲透率的測量

實驗中，使用了TEMCO公司生產(chǎn)的MP-401型微孔滲儀來測量納米纖維的滲透率，實驗數(shù)據(jù)見表1，數(shù)據(jù)分析見圖6。從表1和圖6可知，納米纖維孔隙率越大，則納米纖維的滲透率越大，這是可以解釋的，也符合實際的物理現(xiàn)象，因為孔隙率增加，通過的流體越多，根據(jù)達(dá)西定律，則滲透率增加。利用納米纖維的這種物理性質(zhì)，可以把納米纖維應(yīng)用在工業(yè)廢水的處理和有毒氣體的過濾等方面，有很大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。

表1　納米纖維孔隙率和滲透率實驗數(shù)據(jù)

圖6　納米纖維孔隙率和滲透率的函數(shù)關(guān)系

3　結(jié)論

為了研究納米纖維的滲透率，首先使用靜電紡絲機(jī)制備了納米纖維，接著用掃描電子顯微鏡觀測了納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)，最后研究了納米纖維的滲透率，研究結(jié)果表明，納米纖維孔隙率越大，納米纖維的滲透率就越大。本研究為功能性衣服的開發(fā)和高效過濾系統(tǒng)的設(shè)計奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。該項納米纖維技術(shù)的研究有望改善三明市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，加快循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高城市污水、垃圾無害化處理率；最終可加快三明市的創(chuàng)新體系建設(shè)和推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

［1］覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維的過濾機(jī)理及性能［J］.東華大學(xué)學(xué)報，2007，33（1）：52-56.

［2］GOBAN A，CHOI K S，ALTON D J，et al.Demonstration of a state-insensitive，compensated nanofiber trap［J］. Physical Review Letters，2012，109（3）：033603.

［3］黃先威，鄧?yán)^勇，許律，等.聚合物/TiO2雜化納米纖維微孔膜的制備及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用［J］.化學(xué)學(xué)報，2012，70（15）：1604-1610.

［4］PAN D，OMBABA M，ZHOU Z Y，et al.Direct growth of carbon nanofibers to generate a 3D porous platform on a metal contact to enable an oxygen reduction reaction［J］.ACS Nano，2012，6（12）：10720-10726.

［5］梁斌，曹兵，王宏來，等.復(fù)合結(jié)構(gòu)納米纖維滲透汽化膜的制備及脫鹽性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2013，29 （10）：118-122.

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［7］XIAO B Q，F(xiàn)AN J T，WANG Z C，et al.Fractal analysis of gas diffusion in porous nanofibers［J］.Fractals，2015，23（1）：1540011.

［8］SILVA G A，CZEISLER C，NIECE K L，et al.Selective differentiation of neural progenitor cells by high-epitope density nanofibers［J］.Science，2004，303（5662）：1352-1355.

［9］李繼鋒.第十屆中國科協(xié)年會論文集（四）［C］.2008：885-891.

［10］ALBER P，ANNA B，LEON G.Application of nanofibers to improve the filtration efficiency of the most penetrating aerosol particles in fibrous filters［J］.Chemical Engineering Science，2006，61（20）：6804-6815.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Preparation of Nanofibers and the Investigation of Permeability Performance

XIAO Bo-qi1，TU Xing2，WANG Zong-chi1，F(xiàn)AN Jin-tu3

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Art and Design College，ShenZhen University，Shenzhen 518060，China；

3.Department of Fiber Science and Apparel Design，Cornell University，Ithaca，NY，USA）

The nanofiber is prepared by electrospinning technique in this paper. The porosity of nanofiber is calculated. Besides， the microstructure of nanofiber is observed using scanning electron microscope. The relationship between permeability and porosity is discussed. It is shown that permeability of nanofiber increases with the increase of porosity. The aims of this study is to establish the foundation of theory and technology for developing functional clothing and designing highly efficient filter system.

nanofiber； permeability； porosity

TQ340.6

A

1673-4343（2016）04-0043-04

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.008

2015-07-08

國家自然科學(xué)基金項目（51576114）；福建省自然科學(xué)基金項目（2016J01254）；“福建省高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”項目（JA14285）；“福建省青年拔尖創(chuàng)新人才”項目；三明市科技計劃項目（2014-G-7）

肖波齊，男，湖北孝感人，教授。主要研究方向：納米纖維材料。