溶液噴射紡聚丙烯腈納米纖維的制備與研究

滕士英,徐先林

(天津工業(yè)大學(xué)，天津300387)

1 引言

納米纖維是指直徑為納米尺度而長度較大的具有一定長徑比的線狀材料[1]，其因長徑比大、比表面積大等優(yōu)點成為近年來的研究熱點，在環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)、介質(zhì)過濾、傳感器、電子產(chǎn)品、復(fù)合增強材料領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景[2]。

目前，納米纖維的制備方法主要有：模版合成法[3]、催化擠出法[4-5]、自組裝法[6]、分子噴絲板紡絲法[7]、海島型雙組分復(fù)合紡絲法[8]和靜電紡絲法[9]等。靜電紡絲技術(shù)是將靜電力作為牽引力，當(dāng)電場力大于液體表面張力時，將聚合物溶液細(xì)流牽伸拉細(xì)制備超細(xì)纖維的方法[10-12]。靜電紡絲法因其成本低、簡單、易操作的特點得到廣泛研究。

溶液噴射紡絲技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一種用于制備納米纖維的新型技術(shù)。其原理是利用高速氣流的牽伸力對溶液細(xì)流進(jìn)行超細(xì)拉伸，同時溶劑蒸發(fā)、細(xì)流固化從而制備納米纖維[13-16]。與靜電紡絲法相比，溶液噴射紡絲法具有工藝簡單，生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)點。

聚丙烯腈(PAN)具有良好的成纖性，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐細(xì)菌侵蝕性優(yōu)異等特點，在紡織領(lǐng)域等到了廣泛應(yīng)用。本文利用實驗室自制的溶液噴射紡絲機對PAN進(jìn)行紡絲，通過改變多種紡絲工藝參數(shù)，成功制備了PAN納米纖維，并對其進(jìn)行了研究。

2 實驗部分

2.1 試劑和儀器

聚丙烯腈(PAN)，Mn=22000；二甲基甲酰胺(DMF)，純度99%；溶液噴射紡絲機，自制。

2.2 納米纖維制備

2.2.1溶液配制

稱取500 mL DMF加入溶液噴射紡絲機的溶解釜內(nèi)，再取50 g烘干后的PAN粉末倒入溶解釜中，攪拌加熱至完全融為黃色透明液體，配制成16 w/v%濃度的紡絲液。

2.2.2納米纖維制備

溶液噴射紡絲機如圖1所示。紡絲環(huán)境達(dá)到設(shè)定條件后，溶液由料泵供應(yīng)到模頭，再由模頭噴絲孔流出，經(jīng)噴絲孔周圍環(huán)繞噴出的高速高溫氣流牽扯細(xì)化，隨后將溶劑蒸發(fā)，形成納米纖維，經(jīng)吸風(fēng)系統(tǒng)收集在透氣性良好的非織造布上形成納米纖維網(wǎng)。

2.2.3不同牽伸風(fēng)壓下PAN纖維的制備

在固定參數(shù)情況下，調(diào)整牽伸氣流壓力(自制紡絲機牽伸進(jìn)氣管壓力)分別為2 bar、2.5 bar、3 bar、3.5 bar、4 bar、4.5 bar進(jìn)行納米纖維制備，將紡制的納米纖維網(wǎng)分別編號為a1、a2、a3、a4、a5、a6。

圖1 溶液噴射紡絲裝置示意圖

2.2.4不同牽伸氣流溫度下PAN纖維的制備

在其他參數(shù)一致情況下，在紡絲牽伸氣流溫度分別為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃時進(jìn)行納米纖維制備，將紡制的納米纖維網(wǎng)分別編號為b1、b2、b3、b4、b5。

2.2.5測試與表征

掃描電鏡(SEM)測試：裁剪納米纖維網(wǎng)樣品貼在樣品臺上，經(jīng)噴金處理，用S4800掃描電鏡觀察納米纖維，使用Image-Pro 6.0軟件在每張電鏡照片取10個不同位置的纖維直徑進(jìn)行隨機測量，獲取數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣流牽伸作用對纖維直徑的影響

圖2 不同牽伸氣流壓力下的納米纖維掃描電鏡圖注：a-樣品a1；b-樣品a2；c-樣品a3；d-樣品a4；e-樣品a5；f-樣品a6

圖2是不同牽伸氣流壓力下的納米纖維掃描電鏡圖，從圖中可以看出，上述條件下獲得的各納米纖維網(wǎng)整體形態(tài)較好，表面均連續(xù)、光滑，單根纖維粗細(xì)均勻。在牽伸壓力為2 bar、2.5 bar(a1、a2)時，纖維平直，呈一定取向聚集排列形態(tài)，隨著牽伸氣流壓力的增大，a3中單根纖維開始彎曲，纖維取向相對一致，而a4、a5、a6中單根纖維彎曲程度進(jìn)一步增大，纖維相互纏結(jié)、堆疊，因此纖維在高牽伸氣流壓力下，受到氣流牽伸作用不穩(wěn)定，形態(tài)趨于卷曲，同時由于高速氣流傾斜向下噴出，溶液經(jīng)針頭流出拉伸后形成的射流較多，溶劑迅速揮發(fā)固化為納米纖維，受到相鄰針頭氣流影響，從而使得納米纖維纏結(jié)點增多，形成雜亂無規(guī)則的納米纖維網(wǎng)。

圖3是納米纖維平均直徑與牽伸風(fēng)壓的關(guān)系圖，從圖中可以得知a1、a2、a3、a4的納米纖維平均直徑分別為605.33 nm、514.25 nm、498.49 nm和415.6 nm，呈逐步減小的趨勢；當(dāng)牽伸氣流壓力繼續(xù)增大時，納米纖維的平均直徑增大，a5、a6納米纖維網(wǎng)的平均直徑分別為450.2 nm、475.09 nm。高速氣流是溶液噴射紡絲過程中納米纖維拉伸細(xì)化的主要作用力，當(dāng)牽伸氣流壓力在一定范圍內(nèi)時，隨著高速氣流牽伸壓力的增加，拉伸細(xì)化作用增強，納米纖維受到更強的牽伸形變，有利于紡制更細(xì)的纖維，而當(dāng)超過一定范圍時，平均直徑反而增大，這是由于較高的牽伸壓力使紡絲溶液細(xì)流在空氣中牽伸時間較短，牽伸不夠充分的情況下，即在氣流牽伸作用、吸風(fēng)風(fēng)機作用下，落到非織造布收集網(wǎng)上，同時氣流紊亂，形成了納米纖維網(wǎng)最終纏結(jié)交織、無規(guī)則現(xiàn)象。

圖3 納米纖維平均直徑與牽伸風(fēng)壓的關(guān)系圖

3.2 牽伸氣流溫度對纖維膜形貌的影響

圖4是不同牽伸氣流溫度下的納米纖維掃描電鏡圖，從圖中可以看到，氣流溫度為35℃，紡制的納米纖維較為平直，纖維彎曲較少，纖維之間存在并絲現(xiàn)象。較低的溫度下，紡絲過程中溶液細(xì)流在短時間內(nèi)蒸發(fā)不夠充分，部分細(xì)流相互粘連。隨著溫度的提高，纖維并絲、粘連的現(xiàn)象得到改善，在較高氣流溫度下，纖維開始出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，并隨著溫度的升高，彎曲角度更大。

圖4 不同牽伸氣流溫度下的納米纖維掃描電鏡圖注：a-樣品b1；b-樣品b2；c-樣品b3；d-樣品b4；e-樣品b5

圖5是納米纖維平均直徑與牽伸氣流溫度關(guān)系圖，由圖5可知：隨著氣流溫度的增加，納米纖維平均直徑持續(xù)增大，b1、b2、b3、b4、b5納米纖維網(wǎng)的平均直徑分別為375.16 nm、383.7 nm、496.24 nm、545.47 nm、741.97 nm。較高的氣流溫度雖有利于溶劑的快速蒸發(fā)，但在較短時間內(nèi)，溶液細(xì)流未能得到充分牽伸拉細(xì)即固化為纖維，導(dǎo)致納米纖維平均直徑增大。

圖5 納米纖維平均直徑與牽伸氣流溫度關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過溶液噴射紡PAN納米纖維的研究，探討了不同牽伸氣流壓力、不同氣流溫度對纖維成形及纖維直徑影響。得到以下結(jié)論：

當(dāng)牽伸氣流壓力在一定范圍內(nèi)時，有利于納米纖維牽伸拉細(xì)，但超過一定范圍時，直徑增大；提高牽伸氣流溫度升高，有利于溶劑的蒸發(fā)，但會使溶液細(xì)流在短時間內(nèi)未得到牽伸拉細(xì)即固化，從而導(dǎo)致納米纖維直徑增大。

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