殼/芯結構PU基納米纖維復合紗的制備與性能研究

付少舉 曾 佩 侯雪梅 詹建朝 張佩華

1.東華大學 紡織學院紡織面料技術教育部重點實驗室(中國) 2.嘉興學院 材料與紡織工程學院(中國)

納米纖維具有孔隙率高、比表面積大、吸濕保水性能好等優勢，備受中外研究人員關注，已被廣泛應用于生物醫療、壓力傳感、過濾材料及其他民用與產業用紡織品領域[1-2]。靜電紡絲法，即通過外加高壓電場使得聚合物帶電，并通過噴絲頭形成無序的纖維體，最終收集在接收盤上獲取納米纖維[3]。目前，靜電紡絲法是最簡單、有效的獲得納米纖維的方法，但所得納米纖維排列雜亂無序，導致纖維的強度較小，且納米纖維間互相作用力較復雜，使納米纖維的可加工性和實際應用程度受到限制[4]。

根據紡絲原理，納米纖維紗的制備主要經歷納米纖維成形、聚集、加捻和卷繞四個階段。充足的納米纖維供給和合適的聚集、加捻方法是穩定、連續制備納米纖維紗的前提[5]。近年來，靜電紡納米纖維紗的獲取方式主要包括控制電場、改變接收裝置等，或這些方式的有機結合[6]。按照加捻方式可分為機械加捻、電場加捻、液體凝固浴加捻，其制備過程：采用不同數量針頭(單針頭或多針頭)經靜電紡絲提供納米纖維，然后通過機械聚集加捻、電場集聚加捻、液體凝固浴集聚加捻等不同方式將形成的納米纖維加捻制成紗[7]。

聚氨酯(PU)是一種主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團的大分子化合物，具有良好的力學性能和生物安全性，廣泛應用于生物醫用、組織工程等領域。鎳(Ni)的導電性和磁性優異，耐酸堿腐蝕性也較好，在熱電傳導、抗靜電等方面應用廣泛[8]。基于此，利用靜電紡納米纖維紗為載體，將賦有導電性能的納米顆粒或高聚物涂覆在纖維紗上，對納米纖維紗在力學、傳感等領域的應用具有重要意義。

本文采用共軛靜電紡絲的方法，制備了殼層為PU/Ni復合紗，芯層為PU纖維的復合納米纖維紗線，觀察了復合納米纖維紗線的表觀形態，測試了其力學性能及導電性能，研究了靜電紡絲的成型工藝，為新型復合納米纖維紗的研發提供一定的借鑒。

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

主要材料：聚氨酯、聚氨酯纖維，嘉興學院提供；四氫呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、納米鎳粉，江蘇強盛功能化學股份有限公司。

主要設備：注射泵，自制；DW-P303-2ACF型高壓直流電源，東文高壓電源有限公司；ZNCL-S型智能恒溫磁力攪拌器，河南愛博特科技發展有限公司；BSA124S型電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司；MIT500型金相顯微鏡，重慶奧特光學儀器有限公司；TM3000型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；YG021C型電子單紗強力儀，萊州市電子儀器有限公司；VC830L型數字萬用表，深圳市勝利高電子科技有限公司。

1.2 殼核結構納米纖維復合紗制備

將不同質量的Ni粉均勻分散于PU溶液(質量濃度為0.12 g/mL，溶劑為THF)中，制得不同Ni質量濃度的紡絲液，并將其倒入注射器中。采用共軛靜電紡絲技術，調節溶液濃度、紡絲電壓、接收距離、紡絲速度等工藝參數，將PU/Ni(殼紗)包覆在PU纖維(芯紗)的表面，調節卷繞輥的速度將納米纖維復合紗包纏備用。紡絲液的Ni質量濃度分別為0.18、0.15、0.12、0.09、0.06 g/mL，所制試樣分別標記為a、b、c、d、e。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 表觀形貌

采用MIT500型金相顯微鏡及TM3000型掃描電子顯微鏡觀測試樣表觀形貌。

1.3.2 力學性能

根據標準GB/T 14344—2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》，采用YG021C型電子單紗強力儀測試力學性能。打開電源，設定參數，夾好紗樣，開始測試，將紗線拉斷，重復試驗直至達到設定次數，得到試樣的斷裂強力、斷裂伸長、斷裂時間及伸長率。

1.3.3 導電性能

在室溫條件下，使用VC830L型數字萬用表，隨機選取10 cm PU/Ni納米纖維復合紗，進行電阻測試，記錄數據。

2 結果與討論

2.1 表觀形貌

殼/芯結構納米纖維復合紗的光學顯微鏡照片如圖1a)所示。由圖1a)可知，隨著紡絲液Ni質量濃度的減小，試樣直徑變小，其中試樣e最細，此時紡絲液Ni質量濃度為0.06 g/mL。殼/芯結構納米纖維復合紗及其橫截面的掃描電子顯微鏡照片如圖1b)所示。納米纖維復合紗表面結構較為粗糙，由復雜的納米纖維隨機組成，且從試樣的橫截面照片可明顯看到，試樣由兩種不同結構的納米纖維紗線組成。

圖1 試樣的表觀形貌

2.2 力學性能

殼/芯結構納米纖維復合紗的力學性能如圖2所示。由圖2可知，隨著紡絲液Ni質量濃度的減小，試樣的力學性能逐漸變差，具體表現為斷裂強力和斷裂伸長率減小。根據前期的預試驗，當紡絲溶液Ni質量濃度過大時，無法成絲。當紡絲液Ni質量濃度為0.18 g/mL時(試樣a)，試樣的斷裂強力和斷裂伸長率分別為99 cN、44.86%；當紡絲液Ni質量濃度為0.06 g/mL 時(試樣e)，試樣的斷裂強力和斷裂伸長率分別下降為52 cN、9.06%。其原因是紡絲液Ni質量濃度減小，納米纖維復合紗的直徑減小，因而力學性能相應減弱。

圖2 納米纖維復合紗的力學性能

2.3 導電性能

殼/芯結構復合納米纖維紗的導電性能如圖3所示。

圖3 納米纖維復合紗的電阻

由圖3可知，隨著紡絲液Ni質量濃度的減小，試樣的電阻逐漸增大，即試樣的導電性能逐漸減小。當紡絲液Ni質量濃度為0.18 g/mL時(試樣a)，試樣的電阻為115 Ω，此時試樣的導電性能最好；當紡絲液Ni質量濃度為0.06 g/mL時(試樣e)，試樣的電阻為1 346 Ω，此時試樣的導電性最差；說明納米纖維紗成形的過程中，紡絲液Ni質量濃度越大，越有利于纖維紗線導電性能的增強。Ni賦予納米纖維復合紗導電性，因而增大紡絲液中Ni的含量，會增強試樣導電性能。

3 結論

本文采用靜電紡絲技術，制備了5種殼核結構的PU/Ni納米纖維復合紗線。當紡絲液Ni質量濃度為0.18 g/mL時，試樣的綜合性能較優。此時，試樣的表面粗糙，斷裂強力和斷裂伸長率較大，導電性能較佳。本文制備的殼核結構的PU/Ni納米纖維復合紗線，為新型導電紗線的研制提供了新思路。