熔體靜電紡絲的工藝條件對紡絲纖維直徑的影響*

汪傳生，都基偉，謝超林，劉偉偉**

(1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.北京橡膠工業研究設計院，北京 100000)

目前關于靜電紡絲技術的研究，大部分集中在溶液的靜電紡絲法方面，由于熔體的靜電紡絲法比溶液的靜電紡絲法應用范圍窄，而且對紡絲裝置要求高，所制備的纖維也比較粗，所以溶液靜電紡絲法得到了更多科學工作者的青睞[1-3]。但是熔體靜電紡絲也有其獨特的優勢：其一熔體靜電紡絲不需要溶劑，避免了因使用溶劑帶來的中毒危險以及對環境的破壞；其二熔體靜電紡絲效率高，必將推進納米纖維的工業化進程[4]。

在熔體靜電紡絲的過程中，許多因素都對所制得的纖維直徑有一定影響，纖維的形成過程實際上是非常復雜的，微納米纖維的獲得是各種因素共同作用的結果[5-6]。筆者主要研究了紡絲溫度、紡絲電壓、噴絲口與接收裝置之間的距離等主要參數對熔體紡絲纖維直徑的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

聚丙烯(PP)：PP3701，流動速率為12 g/10 min，上海尹世通新材料發展有限公司。

1.2 儀器設備

熔體靜電紡絲實驗裝置示意圖如圖1所示，實驗裝置實物圖如圖2所示。

圖1 熔體靜電紡絲實驗裝置示意圖

圖2 熔體靜電紡絲實驗裝置實物圖

圖1所示的熔體靜電紡絲實驗裝置主要由6部分組成，包括料筒及柱塞、加熱裝置、溫控裝置、噴絲頭、接收裝置以及高壓電源。料筒：長度18 cm，內徑10 mm；柱塞：前端內徑10 mm，后端內徑8 mm，質量約300 g，之所以后端內徑小，目的是便于柱塞的拔出，料筒和柱塞均由45號鋼制成；加熱裝置：采用3段組合式電加熱圈加熱的方式，分上中下3段，額定功率為300 W，鉑電阻溫度傳感器鑲嵌于料筒壁專門制作的螺紋口中，與其連接的是測溫范圍為0～400 ℃的溫度控制器；接收裝置：使用自行購買剪裁的鋁箔片；高壓靜電發生器：高壓電源的電壓輸出范圍為0～60 kV，電流輸出范圍0～2 mA，天津市東文高壓電源廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗方案

本實驗主要是針對影響紡絲纖維直徑的幾個工藝參數進行熔體靜電紡絲實驗研究，包括紡絲溫度、紡絲電壓、噴絲口與接收裝置之間的距離等，采用只變1個參數，其它參數固定的常規實驗方法，其好處在于可以通過實驗結果明顯地顯現出溫度、電壓、距離等各個因素對紡絲纖維直徑大小的影響。

1.3.2 工藝條件

先確認料筒內干凈且無剩余廢料，柱塞能順利地插入拔出，然后接通料筒的加熱系統加熱至設定的溫度，料筒的溫度恒定以后，取出柱塞并將顆粒狀的原料加入料筒，把塞子重新插入料筒，用力壓實原料以排出料筒中的空氣，加熱約5～10 min，當看到熔融的聚合物材料開始將要從紡絲針頭向下滴時，打開高壓電源開關，旋轉調節按鈕，加上一定的電壓(20～40 kV)。此時在針尖處有泰勒錐的形成，處在高壓電場中的帶點液滴的熔體噴射流就會從針尖末端飛向接收裝置。一段時間以后就會在接收裝置上收集到聚合物熔體的靜電紡絲纖維。

2 結果與討論

2.1 溫度對紡絲纖維直徑的影響

選取4個不同的料筒溫度200 ℃、220 ℃、240 ℃、260 ℃。固定噴絲頭與接收裝置之間的距離7 cm，高壓電源的輸出電壓35 V，毛細管內徑0.4 mm，原料選用PP3701(流動速率12 g/10 min)。所得高分子纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖隨溫度的變化如圖3所示。

(a) 200 ℃

(b) 220 ℃

(c) 240 ℃

(d) 260 ℃圖3 不同溫度下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

圖4為圖3(c)在放大10 000倍下PP纖維的電鏡照片，從圖4可以看出纖維表面很均勻、光滑，纖維的質量非常好。

圖4 240 ℃下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM放大圖

根據PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測量工具，得到料筒溫度與纖維平均直徑的關系如圖5所示。

料筒溫度/℃圖5 料筒溫度與纖維平均直徑的關系圖

從圖5可以看出，隨著料筒溫度的逐漸升高，制得的PP纖維的平均直徑逐漸減小。原因是溫度越高，PP熔體的粘度越小、流動性越好，處在高壓靜電場中的PP纖維更容易被拉伸，所以在接收裝置上能得到直徑比較細的PP微納米纖維。但是筆者也注意到，當料筒溫度達到260 ℃時制備的PP纖維的平均直徑略有增大，原因是溫度過高，PP熔體已有部分分解，分解的PP使得PP熔體的粘度增大，對熔體的流動有阻礙作用，使處在靜電場中的噴射流拉伸受阻，因此在接收裝置上收集到的纖維直徑比較粗。而由于高溫的作用，纖維中有部分PP已經分解，所收集到的PP纖維的顏色成土黃色。這也說明PP聚合物的熔體靜電紡絲的溫度應控制在260 ℃以下，以防止部分物料的高溫分解。同時紡絲的時間不易過長，最好保持在30 min以內。聚合物PP在本實驗條件下的最佳紡絲溫度為240 ℃，此時纖維的直徑細而且均勻。

2.2 電壓對紡絲纖維直徑的影響

選取4種不同的輸出電壓25 kV、30 kV、35 kV、40 kV。固定噴絲頭與接收裝置之間的距離7 cm，料筒的加熱溫度240 ℃，毛細管內徑0.4 mm，選用原材料PP3701(流動速率為1.2 g/min)。所得高分子聚合物PP纖維的SEM圖隨輸出電壓的變化如圖6所示。

(a) 25 kV

(b) 30 kV

(c) 35 kV

(d) 40 kV圖6 不同電壓下PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

根據PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測量工具，制得電壓與纖維平均直徑的關系如圖7所示。

電壓/kV圖7 電壓與纖維平均直徑的關系圖

由圖7看出，隨著電壓的逐漸增高，PP微納米纖維的平均直徑越來越小。但是電壓不能無限制的增大，因為過大的電壓會引起靜電放電現象，高壓電場中的空氣有可能被擊穿，不利于紡絲的進行，也對工作人員造成危險。電壓也不能太小，最小的電壓值應大于可以紡絲的臨界電壓，只有大于臨界電壓，才能使得泰勒錐被拉伸形成噴射流。當電壓較低時，泰勒錐頂的熔體受到的電場拉力較小，形成的噴射流在到達收集裝置前沒有得到足夠的拉伸，所以收集到的纖維直徑比較粗；電壓逐漸增大，熔體受到的電場拉力也逐漸增大，使得熔體能被充分地拉伸，收集到直徑比較細的PP纖維；當電壓高于35 kV時，在紡絲過程中發現接收裝置與噴絲頭間的熔體纖維鞭動非常劇烈，纖維的鞭動可以進一步拉伸纖維，使其直徑變小，但是同時劇烈的鞭動可能會使收集到的纖維粗細不均勻，再高電壓就會發生靜電危險，所以聚合物PP的最佳紡絲電壓為35 kV。

2.3 紡絲距離對紡絲纖維直徑的影響

選取5個不同的接收距離3 cm、5 cm、7 cm、10 cm、15 cm。固定料筒的加熱溫度240 ℃，高壓電源的輸出電壓35 kV，毛細管內徑0.4 mm，選用原材料PP3701(流動速率為12 g/10 min)。所得高分子纖維的SEM圖隨接收距離的變化如圖8所示。

(a) 3 cm

(b) 5 cm

(c) 7 cm

(d) 10 cm

(e) 15 cm圖8 不同接收距離PP熔體靜電紡絲纖維的SEM圖

根據PP纖維的SEM圖，利用AdobePhotoShop測量工具，制得接收距離與纖維平均直徑的關系如圖9所示。

接收距離/cm圖9 固定電壓時接收距離與纖維平均直徑的關系圖

從圖9可以看出，通過改變接收裝置與噴絲頭的距離，在固定電壓、溫度、噴絲頭直徑的條件下，收集到了形狀不同的PP微納米纖維，纖維的平均直徑都在11 μm以內。收集到的纖維的直徑隨著紡絲距離的不斷增大其平均直徑沒有一直增大，而是先逐漸減小，而后又有增大的趨勢。這種現象不是偶然，經過反復實驗，都得到了這樣的實驗規律。纖維直徑的這個變化規律考慮是由于當接收距離較小時，電場強度會增加，泰勒錐頂的熔體受拉力增大，噴射流迅速被拉伸到達接收裝置，此過程由于接收距離太短，纖維拉伸的時間過短，以至收集到的纖維直徑較粗；隨著接收距離的增加，雖然電場強度有所下降，但是拉伸時間加長，噴射流有足夠的時間拉伸，然后到達接收裝置，得到的纖維比較細且均勻；當再增大接收距離，電場強度繼續減小，此時電場強度就成了影響纖維直徑的主要因素，由于電場強度消弱得太多，電場力太小，以至在接收裝置上收集到的PP纖維變粗。隨著接收距離的增大，所得PP微納米纖維的直徑先由大變小，而后又逐漸增大。此實驗還需要說明一點，接收裝置與噴絲頭的距離不能過小，由于電壓太高，過小的紡絲距離會發生靜電危險，空氣可能會被擊穿，有閃亮的電弧出現，所以要控制最小的接收距離。在此實驗條件下，聚合物PP的最佳紡絲距離為7 cm。

3 結 論

(1) 隨著紡絲溫度的升高，纖維的平均直徑逐漸減小，但是溫度不能過高，過高的溫度會使熔體發生分解，反而增大所得纖維的直徑，最佳的紡絲溫度為240 ℃。

(2) 在固定電壓的情況下，纖維平均直徑隨著接收距離的增加先減小后增大，在本實驗中，PP的熔體靜電紡絲過程最佳的接收距離為7 cm。

(3) 在固定接收距離的情況下，隨著電壓的增加，電場中的噴射流熔體受到的電場力逐漸增大，纖維被拉伸得更細，纖維的直徑逐漸減小，但是為防止靜電放電現象所加電壓不宜太大。

參 考 文 獻：

[1] 侍井林，戴素華.基于靜電紡絲技術制備Cu2+摻雜TiO2納米纖維的研究[J].彈性體，2006,16(4)：38-41.

[2] 胡建聰.高壓靜電紡絲法制備聚酰亞胺超細纖維無紡布膜[J].彈性體，2009,19(1):35-37.

[3] 戴素華，侍井林，馮戈，等.電紡制備苯乙烯甲基丙烯酸共聚物單軸定向納米纖維[J].彈性體，2008,18(1):35-37.

[4] 覃小紅，王新威，胡祖明，等.靜電紡絲聚丙烯睛納米纖維工藝參數與纖維直徑關系的研究[J].東華大學學報，2005，31(6)：16-21.

[5] 劉蕓，戴禮興.靜電紡絲纖維形態及其主要影響因素[J].合成技術及應用，2005，20(1)：25-29.

[6] 鄧榮堅.熔體靜電紡絲法制備微納米纖維的實驗研究[D].北京：北京化工大學，2009：28-30.