靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能研究

洪 杰 尹桂波 史芬芬

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能研究

洪 杰 尹桂波 史芬芬

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

利用靜電紡絲可形成由納米級纖維組成的納米纖維膜，由于該膜孔徑小并具有高比表面積和高孔隙率，可用作組織工程支架、傳感器感知膜、過濾材料和防護材料等。靜電紡納米纖維膜的力學(xué)性能對其適用性和耐用性有重要影響。以PA 6甲酸溶液進行靜電紡絲，研究了紡絲液喂入速度和紡絲距離對靜電紡PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:紡絲液喂入速度較低時，形成的納米纖維膜力學(xué)性能差;紡絲距離增大時，納米纖維膜的斷裂強度降低;PA 6溶解于98%甲酸中配制成13%(質(zhì)量分數(shù))紡絲液，在噴嘴口徑0.9 mm、電壓30 kV下進行靜電紡絲，紡絲液喂入速度在0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm時可獲得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

靜電紡絲，PA 6納米纖維膜，力學(xué)性能，工藝條件

靜電紡絲是一種采用電場力驅(qū)動成纖的技術(shù)，由于可形成納米級纖維而受到人們的重視，目前已有眾多天然與合成高聚物采用靜電紡絲技術(shù)形成納米纖維膜與管。納米纖維膜比表面積大、孔隙率高、質(zhì)量輕，其在組織工程支架、傳感器感知膜、防護性服用材料、導(dǎo)電及增強材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究已廣泛展開，在過濾方面的應(yīng)用研究已較為成熟［1-3］。

聚酰胺6(PA 6)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，易溶于甲酸，靜電紡絲時成纖性好，這為靜電紡PA 6納米纖維的應(yīng)用提供了基本條件。芬蘭Heikkila［4］全面研究了靜電紡絲工藝參數(shù)對PA 6纖維形態(tài)的影響;我國蘇州大學(xué)潘志娟［5］對靜電紡PA 6納米纖維的性能做了較深入的研究。Aussawasathien［6］將靜電紡 PA 6 納米纖維膜(纖維直徑30～110 nm)用作水預(yù)過濾膜，發(fā)現(xiàn)其能夠完全清除1～10 μm 微粒，對0.5 μm 微粒的過濾效率達到90%，用該膜可提高超濾膜或納濾膜的過濾效率，延長使用壽命;任峰等［7］利用靜電紡PA 6纖維膜制備夾心式納米超凈化材料，發(fā)現(xiàn)其對酵母菌的過濾效率可達99.976%。在上述諸多應(yīng)用中，靜電紡納米纖維膜的力學(xué)性能對其適用性和耐用性有重要影響。本文利用甲酸溶解PA 6進行靜電紡絲，采用掃描電鏡(SEM)觀察靜電紡PA 6纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，研究紡絲液喂入速度和紡絲距離對纖維膜力學(xué)性能的影響。

1 實驗

1.1 靜電紡絲

將PA 6切片(Sigma Aldrich公司生產(chǎn))放入98%甲酸(上海化學(xué)試劑有限公司，分析純)中，室溫下用磁力攪拌器攪拌至完全溶解，制得13%(質(zhì)量分數(shù))的PA 6紡絲液。在自行設(shè)計的靜電紡絲裝置上進行靜電紡絲，金屬網(wǎng)收集。在電壓30 kV，噴嘴口徑0.9 mm 條件下，分別采用8、10、12 cm的紡絲距離(噴嘴到收集網(wǎng)的距離)，每種紡絲距離下分別采用 0.1、0.2、0.3 ml/h 的紡絲液喂入速度，制得9種靜電紡PA 6納米纖維膜。

1.2 納米纖維膜的形態(tài)測試

用日本日立公司S-570型SEM觀察納米纖維膜形態(tài)，并以專業(yè)的圖像處理軟件度量計算，測得其纖維的實際直徑。

1.3 納米纖維膜的力學(xué)性能測試

采用YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度測試儀測試纖維膜厚度，每一樣品取5個點。用刀片從纖維膜上取尺寸為1 mm×50 mm的細長條樣品，在標準大氣條件(T=20℃，RH=65%)下平衡24 h，在LLY-06型電子單纖維強力儀上進行拉伸力學(xué)性能測試，試樣夾持長度 10 mm，拉伸速度10 mm/min，預(yù)加張力0.2 cN，每一樣品測5個數(shù)據(jù)，根據(jù)下式計算斷裂強度和伸長率:

2 結(jié)果與討論

2.1 PA 6納米纖維膜形態(tài)

圖1為靜電紡PA 6納米纖維膜放大不同倍數(shù)的SEM照片。從圖1可以看出，用PA 6甲酸溶液進行靜電紡絲，成纖性好，纖維均勻連續(xù)，無珠狀物，9種條件下制得的納米纖維膜中纖維的平均直徑為180～200 nm，直徑分布均勻;納米纖維膜中上下貫穿的微孔孔徑為80～260 nm，孔隙率在80%以上;納米纖維膜表面均勻、平整。這為靜電紡PA 6納米纖維膜在高效空氣過濾、污水處理、醫(yī)用防護材料和抗菌材料中的應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)條件。

圖1 PA 6納米纖維膜SEM照片

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 紡絲液喂入速度對PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

表1列出了靜電紡PA 6納米纖維膜的性能測試結(jié)果。由表1可以看出，PA 6納米纖維膜的厚度均較小，最薄僅為10.6 μm，但均表現(xiàn)出較高的斷裂伸長率，最高可達68.24%，表明PA 6納米纖維膜具有良好的柔性，能夠適合不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

表1 靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能

當紡絲距離分別為8、10和12 cm時，發(fā)現(xiàn)紡絲液喂入速度對PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響表現(xiàn)出不同特征，如圖2所示。在紡絲距離為8 cm時，隨紡絲液喂入速度增加，斷裂強度先增后降;在紡絲距離為10 cm時，紡絲液喂入速度與斷裂強度呈正比例關(guān)系;在紡絲距離達到12 cm時，紡絲液喂入速度對斷裂強度影響較小，隨喂入速度的提高略呈下降趨勢。

圖2 不同紡絲距離下紡絲液喂入速度對PA 6納米纖維膜斷裂強度的影響

比較紡絲液在不同喂入速度下制得的PA 6納米纖維膜的斷裂強度，從表1數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)喂入速度較低時，即當喂入速度為0.1 ml/h時制得的PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能普遍較差，其最高的斷裂強度只達到3.53 MPa(7號樣品)。與之相比，在0.2和0.3 ml/h紡絲液喂入速度下制得的PA 6納米纖維膜的斷裂強度明顯提高，特別是2號和5號樣品(0.2 ml/h)，3 號和6 號樣品(0.3 ml/h)斷裂強度均達到或超過5.38 MPa。

2.2.2 紡絲距離對PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，在8和10 cm紡絲距離時制得的PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能總體上高于12 cm紡絲距離時制得的PA 6納米纖維膜。后者(7～9號樣品)的斷裂強度普遍較低，均等于或小于3.69 MPa;而前者的斷裂強度在 2.86～6.69 MPa之間，其中1號和4號樣品因紡絲液喂入速度小，斷裂強度較低，而2、3、5和6號樣品具有較高的斷裂強度。這可能是伴隨紡絲距離的增加，在電壓一定的情況下，電場強度下降，對噴射流的拉伸作用下降，分子取向降低，從而導(dǎo)致纖維膜的力學(xué)性能下降，因而在靜電紡絲時，為獲得較高電場，保證噴射流的充分拉伸，以較短的紡絲距離為宜。

綜合分析圖2可發(fā)現(xiàn)，斷裂強度較高的點均位于該圖的右上角，即紡絲液喂入速度在0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm時可獲得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

2.2.3 膜厚度對PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

從表1可看出，紡絲距離為12 cm時制得的7～9號樣品的膜厚度總體偏薄，斷裂強度總體偏低，原因前已分析，可將該組數(shù)據(jù)排除在外。在紡絲距離為8～10 cm時制得的樣品，隨著膜厚度的增加PA 6納米纖維膜的斷裂強度也隨之增加。但在紡絲液喂入速度較低(0.1 ml/h)時，由于難以形成均勻穩(wěn)定的噴射流，紡絲速度較慢，在纖維網(wǎng)上難以沉積PA 6纖維。由表1還可看出，1號和4號樣品的厚度較薄，而在喂入速度為0.2～0.3 ml/h時制得樣品的膜厚度總體較厚。由于靜電紡納米纖維在收集網(wǎng)上呈現(xiàn)非織造布狀排列，膜越厚，纖維間縱橫交錯程度越高，所以斷裂強度越大。6號樣品的膜厚度達到35.0 μm，其斷裂強度達到6.90 MPa。因此，必須在一定的紡絲距離、紡絲液喂入速度達到一定值的條件下制得一定厚度的納米纖維膜才能具有較高的強度。經(jīng)分析，再次確定在本實驗中紡絲距離為8～10 cm、紡絲液喂入速度0.2～0.3 ml/h是較適宜的工藝條件。

3 結(jié)論

(1)紡絲液喂入速度較低時，形成的PA納米纖維膜較薄，其力學(xué)性能普遍較差。

(2)紡絲距離增大時，電場強度下降，纖維拉伸小，分子取向度差，因而PA納米纖維膜的斷裂強度降低。

(3)PA 6溶解于98%甲酸中配制成質(zhì)量分數(shù)為13%的紡絲液，在噴嘴口徑0.9 mm、電壓30 kV下進行靜電紡絲，選擇紡絲液喂入速度0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm的工藝條件可制得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

［1］覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維的過濾機理及性能［J］.東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，33(1):15-18.

［2］戴友剛，左保齊.靜電紡絲非織造過濾材料研究進展［J］. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(7):1-6.

［3］陸建巍，任祥忠，陳藝章.靜電紡絲法制備聚甲醛納米纖維［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報，2008，29(9):1870-1873.

［4］HEIKKILA P，HARLIN A.Parameter study of electrospinning of polyamide-6［J］.European Polymer Journal，2008，44:3067-3079.

［5］夏艷杰，高曉艷，潘志娟.靜電紡尼龍6/66纖維氈的濕熱處理及其結(jié)構(gòu)與性能［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2008，26(3):422-426.

［6］AUSSAWASATHIEN D ，TEERAWATTANANON C，VONGACHARIYA A.Separation of micron to sub-micron particles from water:electrospun nylon-6 nanofibrous membranes as pre-filters［J］.Journal of Membrane Science，2008，315:11-19.

［7］任峰，劉太奇.夾心式納米超凈化材料的制備及凈化除菌性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(5):135-138.

Study on the mechanical properties of electrospun PA 6 nanofiber membranes

Hong Jie，Yin Guibo，Shi Fenfen
(Textile Department，Nantong Textile Vocational Technology College)

The electrospinning was used to produce nanofiber membrane.For the membrane of high specific surface area and porosity ratio，it could be widely used on the sectors of structure engineering scaffold，transfer sensor perception membrane，filter material and protective material.The mechanical properties of electrospun nanofiber membrane have significant influence of its applicability and endurance.The electrospinning was used to produce PA 6 nanofiber membrane，the spinning feeding speed and spinning distance effected on mechanical properties of electrospun PA 6 nanofiber membranes.The results indicate that:the lower feeding speed of spinning solvent relative to poor mechanical property of nanofiber membrane，and increasing spinning distance would decrease the breaking tenacity of membrane.PA 6 was solved in 98%formic acid to produce 13wt%spinning liquid with technical parameters of 0.9 mm of nozzle diameter and 30 kV of voltage and feeding speed 0.2 ～0.3 ml/h as well as the distance 8～10 cm，the PA 6 nanofiber membrane of favorable mechanical properties would be obtained.

electrospinning，PA 6 nanofiber membrane，mechanical property，technique parameter

TQ340.649;TQ342.11

A

1004－7093(2010)09－0022－03

2010－04－15

洪杰，男，1981年生，講師。主要從事與紡織材料、紡織品檢測和紡紗工藝技術(shù)相關(guān)的教學(xué)和科研工作。