1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 鹽城 224005；2. 蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123；3. 蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215123

傳統(tǒng)靜電紡絲主要依靠針頭傳輸紡絲液滴，紡絲液滴在高壓靜電場作用下被拉伸成納米纖維，紡絲過程快速、簡單，加入功能添加劑還可紡制出功能性納米纖維，故靜電紡絲一直是科研院所及高等學府近年研究的熱點。靜電紡絲制備的納米纖維膜材料可應用于化工、醫(yī)藥、食品、紡織等多個領域[1-3]。但傳統(tǒng)的靜電紡絲技術產(chǎn)量低，紡絲液易堵塞針頭，故限制了其工業(yè)化發(fā)展[4-5]。新型氣泡靜電紡絲技術由蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室何吉歡教授發(fā)明創(chuàng)造[6-8]。何教授稱之為氣泡紡或氣泡靜電紡(Bubble Electrospinning)，其基本原理是基于紡絲溶液或熔體產(chǎn)生的氣泡或液膜破碎后形成的細小液滴，通過外力(如高壓靜電、高速氣流等)將細小液滴牽伸成超細的納米纖維。很顯然，氣泡靜電紡突破了針頭的限制，完全可實現(xiàn)納米纖維的批量生產(chǎn)[9-12]。

PS(聚苯乙烯)是一種非結晶性的線型聚合物，可溶解于DMF(二甲基甲酰胺)，溶解后溶液具有很好的流動性，且成型尺寸穩(wěn)定性好。PVP(聚氯乙烯)是新研制的一種新型材料，是PVC(聚氯乙烯)和PP(聚丙烯)的合成物。純PVC具有很好的親水性，純PP具有很好的柔韌性。目前，很多學者研究了純PS及PS與其他高分子材料復合而成的納米纖維材料，對純PVP或含PVP的材料開展納米紡絲的研究也不少[13-15]，但很少有人將PS和PVP復合進行靜電紡絲。

本文對PS和PVP的復合靜電紡絲進行了研究。采用特殊的紡絲液配備方法，依靠新型氣泡靜電紡絲技術，成功紡制出PS/PVP納米纖維膜，并對PS/PVP納米纖維膜的微觀形態(tài)、親水性能、強伸性能、平均孔徑及空氣流速進行了測試與分析。

1 試驗

1.1 原料及儀器

原料：PVP(相對分子質量160 000，樹脂顆粒，焦作中維特品藥業(yè)股份有限公司)；PS(相對分子質量190 000，樹脂顆粒，蘇州嘉葉生物科技有限公司)； DMF(分析純，湖北新飛化工有限公司)，乙醇(分析純，常州新區(qū)永聯(lián)化工有限公司)。

儀器：S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡(日本日立公司)；Nicolet 5700紅外光譜儀(上海萊?？茖W儀器有限公司)；L1860169 Nicolet Centaurus紅外顯微鏡(美國珀金埃爾默公司)；Autosorb-iQ全自動孔隙測試儀(美國康塔儀器公司)；千分尺(上海首豐精密儀器有限公司)；DP-P503-1ACDF0高壓靜電發(fā)生器(天津東文高壓電源股份有限公司)；奧豪斯CP214電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)；INSTRON-3365型材料試驗機(美國INSTRON公司)；JCY-1型接觸角測試儀(上海方瑞儀器有限公司)。

1.2 納米纖維膜的制備

先配備紡絲液：

(1) 以高聚物PS為溶質、DMF為溶劑，配備100 g均勻的紡絲液A，其中PS的質量分數(shù)為20%[圖1(a)]。

(2) 以PS為溶質、DMF為溶劑，按照7 ∶32的質量比配備50 g的均勻紡絲液B；以PVP為溶質、乙醇(C2H5OH)為溶劑，按照3 ∶8的質量比配備50 g的均勻紡絲液C；再通過10 mL滴管將紡絲液C緩慢滴入紡絲液B中，直至不產(chǎn)生明顯的絮狀物，得到復合的紡絲液D[圖1(b)]。

圖1 紡絲液的制備

(3) 將PS與PVP按照7 ∶3的質量比進行配備，并以DMF為溶劑配備出紡絲液E，其中PS/PVP的質量分數(shù)為20%；利用10 mL滴管在紡絲液E中緩慢滴入乙醇，直至紡絲液E中不產(chǎn)生明顯的顆粒物，攪拌均勻后得到復合的紡絲液F[圖1(c)]。

接著采用簡單的氣泡靜電紡絲裝置，調節(jié)電壓為30 kV、紡絲距離為13 cm，利用相同的紡絲工藝對紡絲液A、紡絲液D、紡絲液F進行紡絲，制備納米纖維膜，分別編號為1#、2#和3#。

1.3 納米纖維膜的性能測試

1.3.1 微觀形態(tài)

利用S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡對3種紡絲液制得的納米纖維膜進行微觀形態(tài)的觀察，并對其中納米纖維的直徑進行統(tǒng)計。

1.3.2 親水性能

為探討納米纖維表面的凹凸結構對納米纖維膜親水性能的影響，對納米纖維膜表面的水接觸角進行測試。

1.3.3 強伸性能

取制備好的完整的3種納米纖維膜，各裁剪5塊長5 cm、寬1 cm的樣品。首先使用千分尺在樣品上選取5個不同的位置，測試并計算樣品的平均厚度。接著，在溫度23 ℃、相對濕度70%的環(huán)境中，使用INSTRON-3365型材料試驗機測試樣品的斷裂強伸性能。測試條件為夾持長度30.00 mm、拉伸速度20.00 mm/min。

(1)

(2)

1.3.4 平均孔徑及空氣流速

取制備好的完整的3種納米纖維膜，分別將它們制成直徑25.00 mm、厚度10 μm的圓形樣品，然后使用POROFIL液體完全浸濕，再使用Autosorb-iQ全自動孔隙測試儀測試樣品的孔徑范圍、平均孔徑及空氣流速。

2 結果分析

2.1 紡絲液的配備方法對納米纖維膜微觀形態(tài)的影響

圖2～圖4分別為1#、2#和3#納米纖維膜的掃描電鏡照片，結合3種納米纖維膜中納米纖維的直徑分布(圖5～圖7)，可以發(fā)現(xiàn)：紡絲液A制備的1#納米纖維膜中，PS納米纖維的平均直徑在120 nm左右，纖維粗細很不均勻；紡絲液D制備的2#納米纖維膜中，PS/PVP納米纖維的平均直徑在75 nm左右，纖維粗細較均勻；紡絲液F制備的3#納米纖維膜中，PS/PVP納米纖維的平均直徑在100 nm左右，纖維粗細均勻性介于1#和2#納米纖維膜之間。

此外，圖2、圖3和圖4的右圖反映了納米纖維的表面狀況：1#納米纖維膜中PS納米纖維表層為多孔結構，表面粗糙；2#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面孔洞明顯減少，且表面粗糙程度明顯降低，光滑性明顯提高；3#納米纖維膜和2#納米纖維膜的纖維成分相同，但3#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面出現(xiàn)了明顯的層次結構，表面粗糙程度更高，孔洞更多，部分表面甚至出現(xiàn)了很深的溝槽。

圖2 1#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖3 2#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖4 3#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖5 1#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

圖6 2#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

圖7 3#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

2.2 紡絲液的配備方法對納米纖維膜親水性能的影響

圖8所示為3種納米纖維膜的水接觸角，可以看出：1#納米纖維膜表面的水接觸角為98°，2#納米纖維膜表面的水接觸角為108°，3#納米纖維膜表面的水接觸角為83°。水接觸角存在差異與納米纖維的表面結構有關。當納米纖維表面存有許多凹槽時，纖維表面會產(chǎn)生毛細效應，此時納米纖維膜的親水性有所提高。

圖8 3種納米纖維膜的水接觸角

2.3 紡絲液的配備方法對納米纖維膜強伸性能的影響

圖9所示為3種納米纖維膜的強伸性能，可以看出：1#納米纖維膜由純PS納米纖維組成，其斷裂強度和斷裂伸長率都介于2#和3#納米纖維膜之間；2#與3#納米纖維膜的纖維成分相同，都為PS/PVP納米纖維，但兩者紡絲液的配備方法存在差異，所得3#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面粗糙程度更高，孔洞更多，部分表面甚至出現(xiàn)了很深的溝槽，纖維間滑移阻力增大，其斷裂強度最大、斷裂伸長率最小。

圖9 3種納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率對比

2.4 紡絲液的配備方法對納米纖維膜平均孔徑及空氣流速的影響

圖10反映了3種納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速，平均孔徑大則空氣流速快，平均孔徑小則空氣流速慢。其中，2#納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速最小，原因與2#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維直徑最小，其堆積的納米纖維膜孔徑最小有關；3#納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速最大，主要原因在于纖維表面粗糙程度更高、孔洞更多及纖維直徑較大，這大幅增加了納米纖維膜產(chǎn)生孔隙的幾率。

圖10 3種納米纖維膜的平均孔徑與空氣流速

3 結語

紡絲液的配備方法對制成的納米纖維膜的微觀形態(tài)、親水性能、強伸性能、平均孔徑及空氣流速等有影響：當新型氣泡靜電紡絲技術制備的納米纖維表面粗糙程度高、孔洞多、有凹槽時，所得納米纖維膜會產(chǎn)生毛細效應，其親水性能提高；納米纖維間滑移阻力增大，納米纖維膜的斷裂強度高、斷裂伸長率低；平均孔徑和空氣流速增加。