滕士英,徐先林

(天津工業(yè)大學(xué)，天津300387)

1 引言

納米纖維是指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的具有一定長(zhǎng)徑比的線狀材料[1]，其因長(zhǎng)徑比大、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，在環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)、介質(zhì)過(guò)濾、傳感器、電子產(chǎn)品、復(fù)合增強(qiáng)材料領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景[2]。

目前，納米纖維的制備方法主要有：模版合成法[3]、催化擠出法[4-5]、自組裝法[6]、分子噴絲板紡絲法[7]、海島型雙組分復(fù)合紡絲法[8]和靜電紡絲法[9]等。靜電紡絲技術(shù)是將靜電力作為牽引力，當(dāng)電場(chǎng)力大于液體表面張力時(shí)，將聚合物溶液細(xì)流牽伸拉細(xì)制備超細(xì)纖維的方法[10-12]。靜電紡絲法因其成本低、簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)得到廣泛研究。

溶液噴射紡絲技術(shù)是近年來(lái)備受關(guān)注的一種用于制備納米纖維的新型技術(shù)。其原理是利用高速氣流的牽伸力對(duì)溶液細(xì)流進(jìn)行超細(xì)拉伸，同時(shí)溶劑蒸發(fā)、細(xì)流固化從而制備納米纖維[13-16]。與靜電紡絲法相比，溶液噴射紡絲法具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

聚丙烯腈(PAN)具有良好的成纖性，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐細(xì)菌侵蝕性優(yōu)異等特點(diǎn)，在紡織領(lǐng)域等到了廣泛應(yīng)用。本文利用實(shí)驗(yàn)室自制的溶液噴射紡絲機(jī)對(duì)PAN進(jìn)行紡絲，通過(guò)改變多種紡絲工藝參數(shù)，成功制備了PAN納米纖維，并對(duì)其進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑和儀器

聚丙烯腈(PAN)，Mn=22000；二甲基甲酰胺(DMF)，純度99%；溶液噴射紡絲機(jī)，自制。

2.2 納米纖維制備

2.2.1溶液配制

稱取500 mL DMF加入溶液噴射紡絲機(jī)的溶解釜內(nèi)，再取50 g烘干后的PAN粉末倒入溶解釜中，攪拌加熱至完全融為黃色透明液體，配制成16 w/v%濃度的紡絲液。

2.2.2納米纖維制備

溶液噴射紡絲機(jī)如圖1所示。紡絲環(huán)境達(dá)到設(shè)定條件后，溶液由料泵供應(yīng)到模頭，再由模頭噴絲孔流出，經(jīng)噴絲孔周圍環(huán)繞噴出的高速高溫氣流牽扯細(xì)化，隨后將溶劑蒸發(fā)，形成納米纖維，經(jīng)吸風(fēng)系統(tǒng)收集在透氣性良好的非織造布上形成納米纖維網(wǎng)。

2.2.3不同牽伸風(fēng)壓下PAN纖維的制備

在固定參數(shù)情況下，調(diào)整牽伸氣流壓力(自制紡絲機(jī)牽伸進(jìn)氣管壓力)分別為2 bar、2.5 bar、3 bar、3.5 bar、4 bar、4.5 bar進(jìn)行納米纖維制備，將紡制的納米纖維網(wǎng)分別編號(hào)為a1、a2、a3、a4、a5、a6。

圖1 溶液噴射紡絲裝置示意圖

2.2.4不同牽伸氣流溫度下PAN纖維的制備

在其他參數(shù)一致情況下，在紡絲牽伸氣流溫度分別為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃時(shí)進(jìn)行納米纖維制備，將紡制的納米纖維網(wǎng)分別編號(hào)為b1、b2、b3、b4、b5。

2.2.5測(cè)試與表征

掃描電鏡(SEM)測(cè)試：裁剪納米纖維網(wǎng)樣品貼在樣品臺(tái)上，經(jīng)噴金處理，用S4800掃描電鏡觀察納米纖維，使用Image-Pro 6.0軟件在每張電鏡照片取10個(gè)不同位置的纖維直徑進(jìn)行隨機(jī)測(cè)量，獲取數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣流牽伸作用對(duì)纖維直徑的影響

圖2 不同牽伸氣流壓力下的納米纖維掃描電鏡圖注：a-樣品a1；b-樣品a2；c-樣品a3；d-樣品a4；e-樣品a5；f-樣品a6

圖2是不同牽伸氣流壓力下的納米纖維掃描電鏡圖，從圖中可以看出，上述條件下獲得的各納米纖維網(wǎng)整體形態(tài)較好，表面均連續(xù)、光滑，單根纖維粗細(xì)均勻。在牽伸壓力為2 bar、2.5 bar(a1、a2)時(shí)，纖維平直，呈一定取向聚集排列形態(tài)，隨著牽伸氣流壓力的增大，a3中單根纖維開始彎曲，纖維取向相對(duì)一致，而a4、a5、a6中單根纖維彎曲程度進(jìn)一步增大，纖維相互纏結(jié)、堆疊，因此纖維在高牽伸氣流壓力下，受到氣流牽伸作用不穩(wěn)定，形態(tài)趨于卷曲，同時(shí)由于高速氣流傾斜向下噴出，溶液經(jīng)針頭流出拉伸后形成的射流較多，溶劑迅速揮發(fā)固化為納米纖維，受到相鄰針頭氣流影響，從而使得納米纖維纏結(jié)點(diǎn)增多，形成雜亂無(wú)規(guī)則的納米纖維網(wǎng)。

圖3是納米纖維平均直徑與牽伸風(fēng)壓的關(guān)系圖，從圖中可以得知a1、a2、a3、a4的納米纖維平均直徑分別為605.33 nm、514.25 nm、498.49 nm和415.6 nm，呈逐步減小的趨勢(shì)；當(dāng)牽伸氣流壓力繼續(xù)增大時(shí)，納米纖維的平均直徑增大，a5、a6納米纖維網(wǎng)的平均直徑分別為450.2 nm、475.09 nm。高速氣流是溶液噴射紡絲過(guò)程中納米纖維拉伸細(xì)化的主要作用力，當(dāng)牽伸氣流壓力在一定范圍內(nèi)時(shí)，隨著高速氣流牽伸壓力的增加，拉伸細(xì)化作用增強(qiáng)，納米纖維受到更強(qiáng)的牽伸形變，有利于紡制更細(xì)的纖維，而當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)，平均直徑反而增大，這是由于較高的牽伸壓力使紡絲溶液細(xì)流在空氣中牽伸時(shí)間較短，牽伸不夠充分的情況下，即在氣流牽伸作用、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)作用下，落到非織造布收集網(wǎng)上，同時(shí)氣流紊亂，形成了納米纖維網(wǎng)最終纏結(jié)交織、無(wú)規(guī)則現(xiàn)象。

圖3 納米纖維平均直徑與牽伸風(fēng)壓的關(guān)系圖

3.2 牽伸氣流溫度對(duì)纖維膜形貌的影響

圖4是不同牽伸氣流溫度下的納米纖維掃描電鏡圖，從圖中可以看到，氣流溫度為35℃，紡制的納米纖維較為平直，纖維彎曲較少，纖維之間存在并絲現(xiàn)象。較低的溫度下，紡絲過(guò)程中溶液細(xì)流在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)不夠充分，部分細(xì)流相互粘連。隨著溫度的提高，纖維并絲、粘連的現(xiàn)象得到改善，在較高氣流溫度下，纖維開始出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，并隨著溫度的升高，彎曲角度更大。

圖4 不同牽伸氣流溫度下的納米纖維掃描電鏡圖注：a-樣品b1；b-樣品b2；c-樣品b3；d-樣品b4；e-樣品b5

圖5是納米纖維平均直徑與牽伸氣流溫度關(guān)系圖，由圖5可知：隨著氣流溫度的增加，納米纖維平均直徑持續(xù)增大，b1、b2、b3、b4、b5納米纖維網(wǎng)的平均直徑分別為375.16 nm、383.7 nm、496.24 nm、545.47 nm、741.97 nm。較高的氣流溫度雖有利于溶劑的快速蒸發(fā)，但在較短時(shí)間內(nèi)，溶液細(xì)流未能得到充分牽伸拉細(xì)即固化為纖維，導(dǎo)致納米纖維平均直徑增大。

圖5 納米纖維平均直徑與牽伸氣流溫度關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過(guò)溶液噴射紡PAN納米纖維的研究，探討了不同牽伸氣流壓力、不同氣流溫度對(duì)纖維成形及纖維直徑影響。得到以下結(jié)論：

當(dāng)牽伸氣流壓力在一定范圍內(nèi)時(shí)，有利于納米纖維牽伸拉細(xì)，但超過(guò)一定范圍時(shí)，直徑增大；提高牽伸氣流溫度升高，有利于溶劑的蒸發(fā)，但會(huì)使溶液細(xì)流在短時(shí)間內(nèi)未得到牽伸拉細(xì)即固化，從而導(dǎo)致納米纖維直徑增大。

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