多噴頭噴氣靜電紡納米纖維包芯紗制備

王 鵬，周玉嫚，管聲啟，何健新，趙 霆，譚衛琳

（1.西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安710048；2.江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫214122；3.中原工學院 紡織學院，河南 鄭州450007）

0 引 言

利用靜電紡技術制備的納米纖維無紡氈因尺度小、比表面積大和孔隙率高等特征已在服裝、生物醫用、復合材料、過濾材料和傳感器等多領域顯示出性能優勢和廣闊的應用前景［1－2］，但是無規則排列的納米纖維氈的二次加工性和機械性能較差，限制了納米纖維的應用范圍.功能性紡織品具有一般紡織品不具有的性能，能滿足人們特殊的需求.目前來說制備功能性紡織品的最簡潔的方法是化學整理，其缺點是環境污染，有害身體健康.如果能將靜電紡納米纖維包覆在紗線上，不僅可以提高納米纖維的二次成形性和力學性能，也可利用傳統的紡織方法進行加工，從而融入到更廣闊的傳統紡織品中.這將成為一種制備功能性紡織品的簡潔的物理方法.

靜電紡納米纖維提供一種新的包覆方法就是在紗線表面包覆納米纖維包芯紗［3－4］.目前，文獻［5］利用靜電紡技術在基層上噴涂納米顆粒；文獻［6］利用單針頭在芯紗表面包覆無取向的納米纖維，從而得到包覆納米纖維的紗線；文獻［7－8］利用共軛電紡原理在兩個極性相反的針頭中間配置旋轉的金屬圓盤接收和集聚納米纖維，通過喇叭的旋轉在紗線或金屬絲表面包覆取向的納米纖維.但是這些方法使用的是傳統的針頭靜電紡，并且大部分局限在以無紡氈的形式涂層在紗線或織物上［9－10］.文中給出了一種新的多噴頭噴氣靜電紡的方法，這種方法為制備功能紡織品提供了新的途徑.

1 實 驗

1.1 紡絲液的制備

PVDF溶解在N－N二甲基甲酰胺／丙酮（質量分數比6∶4）混合溶液中，于80℃的條件下攪拌8h，得到質量分數為15%的PVDF溶液.

1.2 納米纖維包芯紗的制備

制備連續的納米纖維包芯紗的多噴頭噴氣靜電紡裝置由紡絲單元、儲液罐、計量泵、輸液管、橫流氣泵、輸氣管、金屬喇叭、導紗輥和卷繞裝置組成.紡絲單元的結構由噴頭、氣室、噴氣管和連接體構成，輸液管通過進液口與溶液室相連，輸氣管通過進氣口與氣室相連.兩組紡絲單元對稱排列在以喇叭為中心的兩側，分別與高壓發生器的正負極相連，金屬喇叭不接地.儲液罐中的PVDF溶液經計量泵勻速的輸送到紡絲單元的噴頭中，溶液液面高于噴氣管，稍低于噴頭上表面.橫流氣泵將氣體通過輸氣管輸送到紡絲單元的氣室，氣體經噴氣管向上噴出，在噴頭上端形成氣泡（中空泰勒錐），在靜電場的作用下氣泡破裂，噴射出多股射流，經電場力的拉伸形成納米纖維.芯紗經金屬喇叭正上方的導紗輥勻速穿過金屬喇叭，經正下方的導紗輥勻速卷繞到卷繞裝置上.在芯紗引導下，金屬喇叭處將會形成一個倒錐形的中空納米纖維網，一端連接在金屬喇叭的邊緣，一端在芯紗上.通過金屬喇叭的旋轉，倒錐形的中空納米纖維網均勻卷繞在芯紗表面，形成有捻的納米纖維包芯紗.

實驗中，芯紗是4.6dtex×60根的無捻粘膠絲束，電壓為32kV，正負噴頭間距18cm，同極噴頭間距7cm，通氣量1 000mL／min，紡絲液總流量為32mL／h，卷繞速度235.5cm／min，喇叭轉速100r／min.

1.3 表征

將納米纖維包芯紗經噴金處理后用日本JSM－6510掃描電子顯微鏡觀察紗中纖維的縱向形態結構和捻向分布.利用測量系統測量分析納米纖維和包芯紗的捻回角.每個試樣測100個不同點.用美國In－stron365電子強力儀進行拉伸力學性能測試.試樣夾持長度10mm，拉伸速度10mm／min，初始張力為0.2cN.每根試樣測定20根.在標準大氣條件下，用YH－168型接觸角測試儀測試PVDF納米纖維包芯紗的表面接觸角，每個樣品測試10個不同位置，表面接觸角取平均值，水為二次蒸餾水.

2 結果與討論

2.1 納米纖維的形成

圖1 氣泡在電場力作用下的受力分析Fig.1 Force analysis of bubbles at the function of electric field force

橫流氣泵將氣體通過輸氣管輸送到紡絲單元的氣室.氣體經噴氣管向上噴出，在噴頭上端形成氣泡（中空泰勒錐）.施加電壓后，氣泡在噴頭上端形成時主要受到電場力FE、氣泡內外壓力差FP和氣泡在噴頭上端的表面張力FT共同的作用，如圖1所示.此時，當電場力大于氣泡在噴頭上端的表面張力與氣泡內外大氣壓力的差值時，由聚合物溶液組成的氣泡薄膜被拉伸，進而破裂成多股高速射流，在電場力的作用下牽伸形成納米纖維.通過控制通氣速度，可以在噴頭上端形成連續的氣泡，每個氣泡破裂形成多股高速射流，因此提高了納米纖維的產量，納米纖維的產量高達4.252 8g／h，相當于傳統單針頭產量的幾十倍.

2.2 納米纖維包芯紗的成紗機理

多噴頭噴氣靜電紡的三維電場強度矢量分布圖如圖2所示.施加電壓后，左邊帶正電的兩個噴頭與右邊帶負電的兩個噴頭間形成共軛電場，電場線的方向從正極指向負極.不帶電的金屬喇叭置于兩組紡絲單元中間，改變了原有電場線的分布，在噴頭與金屬喇叭之間形成靜電感應電場.由于靜電誘導效應，金屬喇叭的兩側將分別帶有與噴頭相反的電荷.在噴頭上端形成的氣泡破裂形成纖維在感應電場的作用下吸附到金屬喇叭邊緣，或者在共軛電場的作用下噴向相反電荷的對應部分，這樣，從兩側噴頭噴出的纖維在金屬喇叭的下方中心處芯紗的位置集聚并中和.因此，一個倒錐形中空納米纖維網在芯紗與喇叭邊緣之間形成.紡紗時，納米纖維網的一端在芯紗表面，一端在喇叭邊緣，通過喇叭的旋轉加捻，纖維網包覆在芯紗表面，得到納米纖維包芯紗，然后卷繞到卷繞裝置上.由于納米纖維的產量較高，包芯紗的卷繞速度可達235.5cm／min.

圖2 多噴頭噴氣靜電紡的電場模擬圖Fig.2 The electric field simulation of multi－nozzle air jet electro－spinning

2.3 納米纖維包芯紗的形貌

如圖3（a）所示，PVDF納米纖維在芯紗表面包覆比較均勻，且包覆在芯紗表面的纖維有均勻的捻回分布，捻回角達到24.3°；如圖3（b）所示，包覆在芯紗表面的PVDF納米纖維直徑分布在100～300nm之間，纖維排列平行，有良好的取向；如圖3（c）所示，納米纖維包芯紗的外包纖維壁厚大約是50μm，芯紗與外包纖維有較好的貼合；如圖3（d）所示，由于芯紗是不規則圓形，芯紗與外包纖維結合處有少許空洞.通過這種新型方法制備的PVDF納米纖維包芯紗，紗線兼具PVDF和粘膠兩種材料的優點，同時，外包納米纖維還賦予紗線尺寸小、比表面積大和空隙率高的特征.

圖3 納米纖維包芯紗的形貌Fig.3 Morphological of nanofiber core－spun yarn

2.4 性能分析

如圖4所示，包覆納米纖維后對芯紗力學性能有較大的影響，芯紗表面無外包纖維時，其斷裂強度和伸長率均較小，分別為19.39MPa和15.83%；芯紗表面包覆納米纖維后，納米纖維包芯紗的力學性能顯著提高，分別達到30.82MPa和19.81%.這是由于包覆納米纖維后，芯紗變得緊密，不易滑脫，增加了芯紗中單根纖維間的摩擦力.同時，外包纖維也提高了納米纖維包芯紗的力學性能.

粘膠芯紗本身有較好的親水性，表面接觸角為0°.當表面包覆PVDF納米纖維后，水滴在其表面的接觸角達到150°，紗線由親水變為疏水.這種納米纖維包芯紗在制備疏水性好的自清潔織物上有較好的應用前景.

3 結束語

圖4 芯紗和納米纖維包芯紗的拉伸曲線Fig.4 Tensile curve of core filament yarn and core yarn coated by PVDF nanofibers

利用文中多噴頭噴氣靜電紡紗裝置制備的納米纖維包芯紗，不僅納米纖維在芯紗表面包覆比較均勻，且包覆在芯紗表面的纖維有較好的取向和均勻的捻回分布.此外，包覆納米纖維的包芯紗的力學性能也顯著提高，斷裂強度從19.39MPa增加到30.82MPa，斷裂伸長率從15.83%增加到19.81%.無外包纖維的芯紗表現了較好的親水性，而芯紗表面經PVDF納米纖維包覆后，水滴在表面的接觸角達到150°，表現良好的疏水性能，該方法為靜電紡技術應用到功能紡織品提供了廣闊的應用前景.

［1］HUANG Z M，ZHANG Y Z，KOTAKIC M，et al.A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applicatons in nanocomposites［J］.Composites Science and Technology，2003，63（15）：2223－2253.

［2］CHENG R，WANG J L，ZHANG W X.The research progress on degradation of halogenated organic compounds by nanoiron nanotechnology［J］.Progress in Chemistry，2006，18（1）：93－99.

［3］HE J X，ZHOU Y M，WANG L D.Fabrication of continuous nanofiber core－spun yarn by a novel electrospinning method［J］.Fibers and Polymers，2014，15（10）：2061－2065.

［4］RAVANDI，DRIBRIAN，SANATGAR R H.Capillary rise investigation of core－spun nanofiber yarn［J］.Industria Textile，2011，62（2）：59－63.

［5］KUMBAR S G，BHATTACHARYYA S，SETHURAMAN S，et al.A preliminary report on a novel electrospray technique for nanoparticle based biomedical implants coating：Precision electrospraying［J］.Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials，2007，81b（1）：91－103.

［6］SCARDINO F L.Fibrous structures containing nanofibrils and other textile fibers：US，6308509，［P］.2001：10－30.

［7］DABIRIAN F，RAVANDI S A H，HINESTROZA J，et al.Conformal coating of yarns and wires with electrospun nanofibers［J］.Polymer Engineering ＆ Science，2012，52（8）：1724－1732.

［8］周玉嫚.納米纖維包芯紗的成紗機理及實驗［D］.鄭州：中原工學院，2014：15－18.Zhou Yuman.Spinning mechanism and experiment of nanofiber core－spun yarn［D］.Zhengzhou：Zhongyuan University of Technology，2014：15－18.

［9］何建新，張明軍，崔世忠，等.納米纖維包芯紗的制備與表征［J］.上海紡織科技，2014，42（8）：54－56.HE Jianxin，ZHANG Mingjun，CUI Shizhong，et al.Preparation and characterization of nanofiber core－spun yarn［J］.Shanghai Textile Science ＆ Technology，2014，42（8）：54－56.

［10］徐爭濤，樊建彬，馬柯，等.矩形排列四噴頭噴氣靜電紡納米纖維的制備［J］.紡織高校基礎科學學報，2014，27（2）：248－251.XU Zhengtao，FAN Jianbin，MA Ke，et al.The research of four－nozzle with rectangular arrangement air－jet electrospinning for the nanofibers production［J］.Basic Sciences Journal of Textile Universities，2014，27（2）：248－251.