龔鑫，許燕，周建平，王波，靳正陽

(新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830017)

筆者采用靜電紡絲方法制備高含量的β相PVDF纖維膜，重點考察紡絲電壓、溶液濃度、溶劑配比對制備的PVDF纖維膜的形貌和β相含量的影響，同時考慮到紡絲距離和紡絲速度也會對PVDF的β相含量有一定影響，因此采用混合水平下交實驗法設(shè)計不同的實驗方案，優(yōu)化β-PVDF纖維膜的紡絲工藝，并探討電紡工藝對制備形貌良好、分布均勻以及β相含量較高的PVDF纖維膜的影響，為拓展PVDF纖維膜的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PVDF：HSV900，法國阿科瑪公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)：分析純，純度99.5%，上海羅恩化學(xué)試劑公司；

丙酮：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

靜電紡絲設(shè)備：TL-BM300型，深圳市通力微納科技有限公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：JSM-7610F型，日本電子株式會社；

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Nicolet40型，美國賽默飛世爾科技公司；

數(shù)顯磁力攪拌器：ZNCL-G型，鞏義予華儀器有限公司。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力調(diào)度信息化中的應(yīng)用是電力調(diào)度部門普遍關(guān)心的問題。這一階段，信息技術(shù)高速發(fā)展，各調(diào)度中心必須實現(xiàn)信息的相互溝通和協(xié)調(diào)，才能保證國家電力調(diào)度信息化的安全經(jīng)濟運行。本文通過對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力調(diào)度信息化中應(yīng)用的現(xiàn)狀進行介紹，分析了現(xiàn)階段電力調(diào)度信息化應(yīng)用系統(tǒng)“SCADA系統(tǒng)”和“EMS系統(tǒng)”的局限性，提出了具體的解決辦法。這些解決辦法各有優(yōu)缺點，可根據(jù)電力調(diào)度的實際情況進行選擇。

1.3 PVDF纖維膜的制備

稱取適量的PVDF粉末，溶于一定比例的丙酮和DMF混合溶劑中，常溫下磁力攪拌器4 h，使PVDF溶液完全溶解，得到的PVDF溶液靜置30 min去除氣泡，將PVDF溶液移至10 mL注射器中，并將其固定在微量注射泵上，針頭與注射器連接并接上高壓電源的下極，滾筒收集裝置連接負極，進行靜電紡制備PVDF纖維膜。

1.4 混合水平正交試驗設(shè)計

影響靜電紡PVDF的纖維形貌和β相含量的因素主要有：紡絲電壓(A)、溶液濃度(B)、溶劑體積配比(DMF/丙酮)(C)，同時考慮到紡絲距離(D)和紡絲速度(E)對PVDF的β相含量也有一定的影響，為減少實驗數(shù)量，設(shè)計成混合水平下交試驗，前三個參數(shù)設(shè)計成三因素三水平，后兩個參數(shù)設(shè)計成二因素二水平，混合下交試驗表見表1。

表1 混合正交試驗因素水平關(guān)系表

1.5 性能測試

采用FESEM對PVDF纖維膜的微觀形貌進行觀察，掃描電壓為5 kV；

通過測量軟件(ImageJ Pro)對纖維直徑進行測量，并計算纖維的直徑變異系數(shù)(Cv)；

采用FTIR儀對PVDF膜進行定性分析，波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，掃描次數(shù)32次，并通過紅外光譜圖定量計算PVDF纖維膜的β相含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果

實驗結(jié)果以纖維的Cv和β相含量為指標，Cv反映纖維直徑大小離散程度，Cv越小表示纖維越均勻，β相含量的大小反映PVDF纖維膜的壓電性能，通常β相含量越高，壓電性能越好。下交試驗結(jié)果見表2。

表2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2 紡絲參數(shù)對纖維形貌的影響

下交試驗法有直觀分析和方差分析，采用直觀分析法對實驗結(jié)果進行分析，見表3，以Cv為指標，Cv越小，表示纖維分布越均勻，K值表示各水平的平均值，而極差R則反映各因素在水平變化時實驗指標的變化幅度，極差R值越大則說明因素對實驗指標影響越大。根據(jù)表3極差分析可知，溶液濃度對PVDF的Cv值影響最大，紡速對PVDF纖維的Cv值影響最小，這可能是因為溶液濃度大小決定著溶液的黏度和表面張力大小，當(dāng)溶液濃度較低時，聚合物鏈在到達收集器之前就斷裂了，會形成珠狀或串珠狀納米纖維，也會出現(xiàn)溶液滴落現(xiàn)象。增加聚合物溶液的濃度會導(dǎo)致黏度的增加，會形成無珠狀納米纖維，但當(dāng)溶液濃度超過一定值的時候意味著溶液的黏度較高，表面張力較大會阻礙溶液的流動，電紡時也會獲得有缺陷或串珠納米纖維，甚至可能會發(fā)生電場力的強度不足以拉伸溶液形成纖維。不合適的濃度會產(chǎn)生串珠，不僅影響纖維的分布均勻性，還會影響PVDF膜的壓電性能[14]。影響PVDF纖維Cv值因素順序為：B＞A＞C＞D＞E，根據(jù)下交實驗結(jié)果分析，最優(yōu)組合為A2B2C3D1E1，即電壓為15 kV、濃度為15%、配比為6∶4、紡絲距離為12 cm、紡速為0.5 mL/h。

表3 Cv的極差分析表

圖1為下交試驗36組樣品的掃描電鏡圖像。從圖1中可以看出，不同工藝參數(shù)制備出的PVDF纖維形貌差別較大，有的纖維形貌雜亂無規(guī)排列，纖維會互相纏繞，在纖維中還會產(chǎn)生很多顆粒狀的液珠和不同形狀的串珠并且纖維直徑大小分布差異較大，說明靜電紡的工藝參數(shù)對PVDF纖維形貌影響較大，通過優(yōu)化工藝參數(shù)后可以制備出形貌較好的纖維。圖1中第8組，也就是工藝參數(shù)為電壓15 kV、濃度為15%、配比6∶4、紡距為12 cm、紡速為0.5 mL/h，與優(yōu)化出來的工藝參數(shù)一致。從圖1可以看出在該工藝參數(shù)下制備出的PVDF纖維直徑大小較分布均勻，微觀形貌良好。

圖1 PVDF纖維SEM照片

2.3 紡絲參數(shù)對PVDF纖維β相含量影響

靜電紡參數(shù)不僅對PVDF纖維的形態(tài)、直徑有影響，還對PVDF的晶型結(jié)構(gòu)有較大影響[15]，因此優(yōu)化工藝參數(shù)可提高β晶型含量。利用FTIR譜圖，不同晶型會表現(xiàn)出不同的特征峰，可以定量算出β相含量，計算β相含量的公式如下[16–17]：

其中，F(xiàn)(β)表示β相含量，Aα，Aβ分別代表763 cm-1和840 cm-1處吸收譜帶強度，Kα和Kβ分別表示763 cm-1和840 cm-1處的吸收系數(shù)，且有Kα=6.1×104cm2/mol，Kβ=7.7×104cm2/mol。表4是關(guān)于PVDF的β相含量的極差分析。的β相含量有較大影響，在電場力的作用下紡絲液被牽伸、分裂，當(dāng)電壓過低，電場力較小難以克服紡絲液自身的表面張力，阻礙了紡絲液的牽伸與分裂；

表4 β相含量極差分析表

根據(jù)表4可知，電壓對PVDF纖維的β相含量影響最大，紡距次之，紡速對PVDF纖維的β相含量影響最小，在紡絲過程中，紡絲電壓對PVDF隨著紡絲電壓的逐漸升高，電場強度變大，聚合物溶液射流更容易拉伸，β相含量增加，紡絲電壓進一步升高時，電場強度過大，導(dǎo)致射流量加大，射流速度加快，不利于射流的拉伸與分裂，均勻性變差，會導(dǎo)致β相含量降低。因此紡絲電壓可以影響β相含量，隨著電壓升高，β相含量增加，但增加到一定時又導(dǎo)致β相含量減少[18–19]。適當(dāng)增加紡距，可以使射流充分拉伸，同樣可以促進β相的選變。根據(jù)均值可知，對制備出β相含量較高的工藝參數(shù)為：電壓15 kV、濃度15%、溶劑配比6∶4、紡距15 cm、紡速1 mL/h。

根據(jù)對PVDF纖維形貌和PVDF的β相含量下交試驗結(jié)果分析可知，制備β相含量最大和纖維均勻度最好的PVDF纖維膜的最優(yōu)工藝參數(shù)并不完全相同，其中紡絲電壓、溶液濃度和溶劑配比參數(shù)相同，但紡絲距離和紡絲速度不同。鑒于提高β相含量是本研究主要目的，根據(jù)下交實驗結(jié)果，紡距對β相含量的影響比對Cv影響更大，因此透擇紡距為15 cm。紡速對兩者影響都較小，但紡速過大，射流在電場中得不到充分拉伸，導(dǎo)致纖維直徑變大、數(shù)量少，并且在纖維上容易出現(xiàn)液滴現(xiàn)象，因此紡速透擇0.5 mL/h更合適。綜合考慮能提高PVDF的β相含量以及制備出較為均勻的PVDF纖維的工藝參數(shù)為：紡絲電壓15 kV、紡絲濃度15%、溶劑配比6∶4、紡絲距離15 cm、紡絲速度0.5 mL/h。在該條件下制備出的PVDF纖維的SEM圖、纖維直徑分布圖以及FTIR譜圖如圖2所示。

從圖2a可以看出，制備的PVDF納米纖維形貌良好、纖維粗細均勻、表面清晰，纖維單個分布并無交互黏連現(xiàn)象，并且制備的纖維中沒有串珠，纖維直徑大小基本分布在700 nm左右，經(jīng)過計算纖維直徑的Cv值為0.236，所制備的PVDF纖維膜形態(tài)較好。圖2c為采用該工藝制備PVDF纖維膜的FTIR譜圖，α相和β相對應(yīng)于FTIR譜圖中的特征峰不同，由圖2c可知，PVDF纖維膜在763 cm-1出現(xiàn)了特征峰，是α相；在840 cm-1處出現(xiàn)了特征峰，是β相[20]，根據(jù)前文計算β相公式(1)，可定量算出在該工藝下制備出PVDF纖維膜的β相含量為82.7%，實驗結(jié)果說明了下交試驗可以較好優(yōu)化電紡PVDF壓電膜的工藝參數(shù)，能得到形態(tài)良好、纖維粗細均勻、β相含量高的PVDF壓電膜。

圖2 PVDF纖維的SEM圖、纖維直徑分布圖和FTIR譜圖

3 結(jié)論

采用靜電紡絲技術(shù)制備了β相PVDF纖維膜，通過下交實驗對制備PVDF纖維的工藝研究發(fā)現(xiàn)，得到PVDF纖維較小的Cv值和制備最大含量的β相的PVDF工藝參數(shù)并不相同，得到最小的Cv工藝條件為：電壓15 kV、濃度15%、溶劑配比6∶4，紡距12 cm，紡速0.5 mL/h；得到最大β相含量工藝條件為：電壓15 kV、濃度15%、溶劑配比6∶4，紡距15 cm，紡速1 mL/h。綜合考慮，制備出形貌良好、分布均勻以及β相含量高的PVDF纖維膜的工藝參數(shù)為電壓15 kV、濃度15%、溶劑配比6∶4、紡距15 cm、紡速0.5 mL/h。