靜電紡絲過程中出現直立纖維的研究

楊建國

1. 天津工業大學紡織學院，天津 300387；2. 江蘇南緯悅達纖維科技有限公司，江蘇 鹽城 224007

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靜電紡絲過程中出現直立纖維的研究

楊建國1,2

1. 天津工業大學紡織學院，天津 300387；2. 江蘇南緯悅達纖維科技有限公司，江蘇 鹽城 224007

摘要：研究在制備聚乙烯醇/殼聚糖納米纖維膜的過程中，聚合物溶液的黏度、表面張力、電導率及接收板材質等參數對直立纖維形成的影響，為今后納米纖維膜的成功制備奠定理論基礎。

關鍵詞：聚乙烯醇/殼聚糖， 靜電紡絲， 直立纖維， 影響參數

目前，由靜電紡絲法制備的納米纖維材料具有較大的比表面積，以及可調控的微孔結構和孔隙率，其在生物醫用(組織工程、創傷敷料、藥物緩釋等)、過濾工業(納米過濾、離子交換膜、吸附系統等)、智能紡織品、多功能涂層[1]等領域具有廣泛的應用潛力。殼聚糖是經甲殼素脫乙酰化后的產物，具有優良的生物相容性、生物可降解性、抗菌活性、止血活性等，以其為基材制備抗菌傷口敷料的研究報道目前較多[2-3]。利用靜電紡絲法制備殼聚糖抗菌納米纖維敷料，方法簡便，具有潛在的應用價值。

但靜電紡絲法制備納米纖維的過程中需考慮提高聚合物溶液利用率、減少液滴滴落、改善產品膜平整性、減少直立纖維形成等問題。本文首次對聚合物靜電紡絲過程中直立纖維的形成進行了系統研究，主要分析了聚合物溶液的性質及接收板的類型等對靜電紡絲產生直立纖維的影響，并最終制得平整的納米纖維膜，這對提高靜電紡絲的有效利用率具有重要的實際意義。

1試驗部分

1.1原料

殼聚糖(生物試劑 BR)、聚乙烯醇124、乙酸(分析純AR)，均購于國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，自制。

1.2試驗儀器及裝置

TE4020型高壓電源，大連泰思曼科技有限公司；LSP02-1B型微量注射泵，保定蘭格恒流泵有限公司；NDJ-8S型數字黏度計，上海加內特機電設備有限公司；BZY-101型自動表面張力儀，上海方瑞儀器有限公司；DDSJ-308F型電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司。

儀器連接方式如圖1所示。接收板材質包括鐵絲網、不銹鋼板、鐵絲網+銅片等，電紡時均覆離型紙使用。

圖1　靜電紡絲試驗裝置示意

1.3試驗步驟

1.3.1靜電紡絲用聚合物溶液制備

將7 g聚乙烯醇124溶解在93 mL去離子水中，于70 ℃恒溫攪拌6 h至完全溶解，得到質量分數為7%的聚乙烯醇水溶液。配制質量分數為3%的殼聚糖乙酸水溶液，且溶劑是乙酸和水的混合液，其中，乙酸與水按照質量比2 ∶8、5 ∶5、8 ∶2進行配制。表1對配置的溶液進行了歸納。

表1　配置的溶液

1.3.2聚合物溶液的物性表征

分別測定a～g聚合物溶液的黏度、表面張力及電導率。測試均在室溫環境下進行，每個樣品均重復測試3次，取其平均值。

1.3.3聚合物溶液的靜電紡絲試驗

分別取5 mL的a、e、f、g聚合物溶液，在試驗得到的靜電紡絲優化條件(即針頭至接收板的距離為10 cm、聚合物紡絲液的流速為10 μL/min)下進行紡絲，記錄靜電紡絲結果，分辨是否在接收板上出現直立纖維。

2試驗結果與討論

2.1黏度

利用NDJ-8S型數字黏度計測定a～g聚合物溶液的黏度，數值如圖2所示。對比a和b、c、d聚合物溶液發現，質量分數為3%的殼聚糖乙酸水溶液(b、c、d)的黏度較質量分數為7%的聚乙烯醇水溶液(a)的黏度要高，這主要與殼聚糖的分子鏈結構比聚乙烯醇124的要僵硬有關；對比b、c、d聚合物溶液發現，隨著溶劑體系中乙酸含量的提高，所得聚合物溶液的黏度也有所增大，究其原因應與殼聚糖分子鏈中大量的氨基與乙酸作用相關，較多的分子鏈溶解會輕微增加聚合物溶液的黏度；對比e、f、g聚合物溶液與b、c、d聚合物溶液的黏度值增長趨勢發現，它們的黏度值增長趨勢相同，這說明在該質量分數范圍內聚乙烯醇水溶液和殼聚糖乙酸水溶液的作用程度相近。

圖2　聚合物溶液的黏度

聚合物溶液黏度高，說明其分子鏈之間的纏結程度較高，在可成纖范圍內越有利于靜電紡絲試驗的進行[4]213-228。

2.2表面張力和電導率

聚合物溶液的電導率和表面張力是決定能否成功通過靜電紡絲得到納米纖維的關鍵因素[5]。分別利用BZY-101型自動表面張力儀和DDSJ-308F型電導率儀測定a、e、f、g聚合物溶液的表面張力和電導率，數值如圖3所示。對比4種溶液發現，a的表面張力比e、f、g的要高，這說明殼聚糖的加入降低了溶液體系的表面張力，且低表面張力的聚合物溶液有利于靜電紡絲制得微觀結構優異的納米纖維膜[6]。同樣，對比這4種聚合物溶液的電導率數值可以發現，e、f、g聚合物溶液的電導率均比a高，原因是殼聚糖是一種離子聚合物電解質[7]，它的加入使溶液體系的電導率數值升高；此外，觀察e、f、g聚合物溶液還發現，在質量分數為3%的殼聚糖乙酸水溶液中，隨著溶劑中乙酸含量的提高，聚合物溶液的電導率出現了下降，這主要與溶液中缺少足夠的水分子去游離大量的乙酸分子有關[8]。

圖3　聚合物溶液的表面張力和電導率

較低的表面張力和適宜的電導率有利于聚合物溶液的靜電紡絲。

2.3靜電紡絲試驗及直立纖維形成分析

選擇物理性能參數適中的e聚合物溶液進行靜電紡絲。在一定條件(電壓為-15 kV、流速為10 μL/min、針尖到接收板的距離為10 cm)下對e聚合物溶液進行靜電紡絲，在鐵絲網上覆合離型紙作為接收裝置，經一定時間的靜電紡絲后發現有直立纖維出現，具體形貌如圖4所示。究其原因在于，靜電紡絲時間的延長，以及鐵絲網上靜電場強度分布的不均勻。直立纖維的出現會在一定程度上破壞膜的均一性，導致原料的浪費及生產效率的降低。因此，為改善接收板上電場分布的均勻性，嘗試更換接收板為不銹鋼板或鐵絲網+銅片的試驗方案。

圖4　e聚合物溶液靜電紡絲得到的直立纖維形貌

將a、e、f、g聚合物溶液于一定條件(電壓為-15 kV、流速為10 μL/min、針尖到接收板的距離為10 cm)下進行靜電紡絲，接收板材質分別為鐵絲網、不銹鋼板、鐵絲網+銅片，結果如表2所示。

表2　不同聚合物溶液在不同接收板表面進行靜電紡絲的試驗結果

從表2可以發現：a聚合物溶液具有良好的可紡性[9], 在該靜電紡絲條件下均可以得到無直立纖維的聚乙烯醇納米纖維膜，而接收板材質的類型對其紡絲結果沒有明顯的影響；e聚合物溶液在該靜電紡絲條件下選擇不銹鋼板作為接收板可得到無直立纖維的納米纖維膜，分析其原因在于e聚合物溶液的電導率較高，其在場強分布相對較為均勻的不銹鋼板接收板上易得到平整的納米纖維膜；f聚合物溶液在該靜電紡絲條件下采用鐵絲網或不銹鋼板作為接收板可得到無直立纖維的納米纖維膜，其相較于e聚合物溶液，黏度較大則聚合物鏈的相對纏結程度大[4]213-228，電導率小則單層鐵絲網接收板對其電紡膜的均勻性無直觀影響，表面張力小則可紡性高，這些都有利于靜電紡絲；g聚合物溶液由于乙酸質量配比過多，加之乙酸的沸點比水高，故靜電紡絲溶液的揮發速率有所降低，這會影響聚合物的迅速成纖固化[10]，故在該靜電紡絲條件下，3種接收板材質均未得到均勻的納米纖維膜。

3結論

在靜電紡絲過程中，接收板上形成直立纖維與靜電紡聚合物溶液的種類及性質、靜電場場強分布的均勻性(即接收板類型)、溶液的揮發速率等因素直接相關。可紡性較好的非聚電解質類聚合物(如聚乙烯醇124)的靜電紡絲溶液受靜電場場強分布均勻性的影響較小，其在合適的靜電紡絲條件下均可得到良好的聚乙烯醇納米纖維膜；而含有聚電解質類聚合物(如殼聚糖)的混合靜電紡絲溶液，在靜電紡絲溶劑可以充分揮發、納米纖維可以固化成纖的前提下，黏度較高、表面張力較低、電導率適宜的聚合物溶液受靜電場場強分布均勻性的影響較小。研究表明，f聚合物溶液[即質量分數為7%的聚乙烯醇水溶液與質量分數為3%的殼聚糖乙酸水溶液(其中，溶劑乙酸與水按照質量比5 ∶5配制)按等質量比配置的聚合物溶液]相對適宜于制備聚乙烯醇/殼聚糖納米纖維膜。

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Study on vertical fibers in electrospinning process

YangJianguo1,2

1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;2. TRYD Textile Technology Co., Ltd., Yancheng 224007， China

Abstract:The influences of parameters, such as polymer solution’s viscosity, surface tension, conductivity and material of collector, on the formation of vertical fibers were studied during the preparation of polyvinyl alcohol/chitosan nanofiber membrane process, whose purpose was to lay theoretical foundation for the successful preparation of nanofiber membrane in future.

Keywords:polyvinyl alcohol/chitosan, electrospinning, vertical fiber, influence parameter

收稿日期：2016-03-15

作者簡介：楊建國，男，1970年生，工程師，在職在讀碩士研究生，主要從事新型紡織材料的研究

中圖分類號:TQ342

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7093(2016)05-0012-04