靜電紡絲法制備醋酸丁酸纖維素超細(xì)纖維

郭丹丹，劉好花，崔 莉，劉 芬，葉正濤

（武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

靜電紡絲法制備醋酸丁酸纖維素超細(xì)纖維

郭丹丹，劉好花，崔 莉*，劉 芬，葉正濤

（武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073）

采用單因素水平實(shí)驗(yàn)法，對所收集到的靜電紡樣品通過SEM進(jìn)行微觀形貌分析，探究醋酸丁酸纖維素（CAB）在靜電紡絲時(shí)最佳濃度、電紡電壓和接收距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，20wt%的CAB溶液在25KV電壓下，水平接收距離為20cm時(shí)靜電紡出的纖維膜最佳。

醋酸丁酸纖維素; 靜電紡; SEM

靜電紡絲纖維因其直徑小(納米至微米級)，比表面積大和彈性好而備受科學(xué)家的關(guān)注[1]。這些優(yōu)異的性能使電紡纖維在許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，如組織工程支架[2-5]等生物醫(yī)學(xué)，過濾膜[6-8]，藥物釋放[9]，個(gè)體防護(hù)、傳感、自清潔、催化、能源、光電磁、復(fù)合增強(qiáng)、食品工程、化妝品以及其他領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

醋酸丁酸纖維素（Cellulose Acetate Butyrate簡稱 CAB）是一種可再生改性纖維素，具有難燃、優(yōu)良抗?jié)?、不泛黃、耐寒性好等優(yōu)點(diǎn)，主要被應(yīng)用于涂料和皮革光亮劑等領(lǐng)域[10]，CAB在紡織領(lǐng)域應(yīng)用還較少。本文欲嘗試探索通過靜電紡絲法制備CAB超細(xì)纖維，以期拓展CAB綠色材料應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

醋酸丁酸纖維素，數(shù)均分子量為30000，美國Sigma-Aldrich 公司；丙酮，分析純，燕山石化；二甲基乙酰胺，分析純，上海朗瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司。

1.2 紡絲原液的制備

在室溫下將CAB粉末溶解于丙酮(Actone)與二甲基乙酰胺 (DMAC)的體積比為2:1的Actone/DMAC混合溶劑中，配制成含CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，15%和20 %的CAB/Actone/DMAc溶液。

1.3 靜電紡制備CAB納米纖維膜樣品

用靜電紡絲試驗(yàn)機(jī)(臺灣高鐵)對紡絲原液進(jìn)行靜電紡。將CAB/DMAC/Actone溶液注入一個(gè)容積為6 ml，帶有不銹鋼針頭（尖端磨平，毛細(xì)管長度為22 mm，內(nèi)直徑2 mm）的注射器中，注射泵用來給針頭提供持續(xù)射流。鋪著鋁箔的轉(zhuǎn)鼓收集裝置離針頭的水平距離為10-20 cm，電壓為10-25 KV，所有的靜電紡絲都是在室溫下進(jìn)行。

1.3.1 不同紡絲電壓下制備CAB靜電紡樣品

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %的CAB溶液通過靜電紡絲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行紡絲。 在固定收集水平距離20 cm，靜電紡絲的電壓為5，10，15，20，25和30 KV的工藝條件下，用錫箔收集所得靜電紡樣品。

1.3.2 不同接收距離制備的CAB靜電紡樣品

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %的CAB紡液在25 KV最適化電壓下進(jìn)行靜電紡絲，改變水平接收距離為10, 15, 20,25cm，用錫箔收集靜電紡樣品。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及表征測試

2.1 溶液性質(zhì)測試

用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對CAB/Actone/DMAC溶液的粘度進(jìn)行測定，用德國Krüss公司生產(chǎn)的K12型表面張力儀對其表面張力進(jìn)行測定，用DDS-11D型電導(dǎo)率儀對其電導(dǎo)率進(jìn)行測定。

2.2 CAB靜電紡樣品的微觀形貌

對CAB靜電紡絲樣品表面在10 mA電流條件下鍍金25秒后，再以Hitachi公司S-3000N型掃描式電子顯微鏡觀測其纖維形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 紡絲原液的性質(zhì)分析

圖1為不同濃度CAB溶液粘度，表面張力和電導(dǎo)率與溶液濃度的關(guān)系。從圖可以看出，CAB溶液的粘度隨著CAB濃度從10 wt%增加到20 wt%時(shí)明顯從51.88增加到131.94mPa·S，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，紡絲原液的粘度變化呈平緩上升趨勢；其表面張力數(shù)值隨著CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的增大略微減小，變化不大；其電導(dǎo)率數(shù)值卻隨CAB 濃度由10 wt%增加到30 wt%時(shí)先由變大又減小，在CAB含量為20%時(shí)達(dá)到最大值。眾所周知，紡絲原液粘度變大，表面張力變小，纖維可紡性變強(qiáng)，而導(dǎo)電性越好，纖維直徑分布變小，電紡樣品直徑分布更為均勻[11]。故以下實(shí)驗(yàn)均選取20wt%的溶液濃度進(jìn)行。

圖1 CAB溶液粘度(△)，電導(dǎo)率(○)與表面張力(□)

3.2 不同電壓下靜電紡樣品的微觀形貌分析

圖2為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20 %的CAB溶液經(jīng)電紡固定收集水平距離20 cm，分別在電壓為5，10，15，20，25和30 KV的工藝條件下所得樣品SEM圖?？梢杂^察到當(dāng)電壓為5 KV時(shí)，溶液凝聚在針頭并滴下來，不能成纖；電壓超過10 KV時(shí)，電紡樣品內(nèi)出現(xiàn)細(xì)小帶有梭形珠粒的圓柱型纖維；隨電壓由10 KV逐漸增加至25 KV時(shí)，電紡樣品內(nèi)纖維逐漸被拉長變細(xì)且前端的梭形珠粒逐漸消失。當(dāng)電壓增大至30 KV時(shí)，電紡樣品內(nèi)部分纖維已被過度延伸至斷裂。上述隨電壓增加所造成電紡樣品型態(tài)變化，可能是由于當(dāng)電場電壓過小無法克服溶液的表面張力或粘度拉伸纖維形成Taylor錐射流成網(wǎng)；但電場電壓過大后又會過度拉伸纖維最終造成斷絲現(xiàn)象。

圖2 20 wt%CAB電紡樣品在接收距離為20 cm，電壓為 (a) 5， (b) 10， (c) 15，(d) 20，(e) 25及(f) 30 kv時(shí)的SEM照片（×1500）

3.3 不同接收距離下采集靜電紡樣品的微觀形貌分析

圖3為20 wt%CAB紡液經(jīng)25 KV最適化電壓電紡后經(jīng)不同接收距離所收集電紡樣品的SEM照片。如圖所示，CAB電紡纖維平均直徑隨接收距離從10 cm增加到20至25 cm時(shí)明顯由125 nm減小到96 nm至83 nm。值得注意的是，當(dāng)接收距離小于15 cm時(shí)所制備電紡纖維樣品內(nèi)有許多明顯之梭形珠粒附著于纖維兩端; 事實(shí)上，此種梭形珠粒大小與數(shù)量均隨接收距離減小而增加。當(dāng)接收距離大于25 cm時(shí)，電紡樣品內(nèi)部分纖維已被過度延伸至斷絲(見圖3-d)。上述隨接收距離增加所造成電紡樣品型態(tài)變化可解釋為是由于當(dāng)接收距離過短時(shí)纖維被拉伸不足，導(dǎo)致末端仍殘余部分位延伸之珠粒紡液；但接收距離過大后紡液又被過度拉伸纖維最終造成斷絲現(xiàn)象。

圖3 20 wt%CAB紡液經(jīng)25 KV電紡及，(a) 10，(b) 15，(c) 20，(d) 25cm接收距離搜集電紡樣品的SEM照片（×1500）

4 結(jié)論

（1）紡絲原液粘度變大，表面張力變小，纖維可紡性變強(qiáng)。而導(dǎo)電性越好，纖維直徑分布變小，電紡樣品直徑分布更為均勻。綜合以上溶液性質(zhì)，故選取20wt%的溶液濃度進(jìn)行電紡。

（2）隨著靜電紡的外加電壓逐漸增大，CAB電紡樣品內(nèi)纖維逐漸被拉長變細(xì)且前端的梭形珠粒逐漸消失；當(dāng)電壓過大時(shí)，電紡樣品內(nèi)部分纖維已被過度延伸至斷絲。故25KV為最佳電紡電壓。

（3）隨著水平接收距離的增加，CAB電紡樣品內(nèi)的纖維平均直徑隨之減小，但當(dāng)接收距離小于15 cm時(shí)所制備電紡纖維樣品內(nèi)有許多明顯之梭形珠粒附著于纖維兩端;當(dāng)接收距離大于25 cm時(shí)，電紡樣品內(nèi)部分纖維已被過度延伸至斷絲，故20cm 為最佳水平接收距離。

[1] Huang ZM, Zhang YZ, M. Kotaki, et al. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites[J]. Compos Sci Technol, 2003, 63(15):2223-2253.

[2] Liang D, Hsiao BS., Chu B. Functional electrospun nanofibrous scaffolds for biomedical applications [J]. Adv Drug Delivery Rev,2007, 59(14): 1392-1412.

[3] Li, W J, Laurencin C T, Caterson, E J, et al. Electrospun nanofibrous structure: a novel scaffold for tissue engineering[J]. J Biomed Mater Res, 2002, 60(4): 613-621.

[4] Ma ZW, Masaya K, Ryuji I, et al. Potential of nanofiber matrix as tissue-engineering scaffolds [J]. Tissue Eng, 2005, 11(1-2):101-109.

[5] Barnes CP, Sell SA, Boland ED. et al. Nanofiber technology: designing the next generation of tissue engineering scaffolds [J]. Adv Drug Delivery Rev, 2007, 59(14):1413-1433

[6] Heikkil? P, Taipale A, Lehtim?ki M, et al. Electrospinning of polyamides with different chain compositions for filtration application[J]. Polym Eng Sci, 2008, 48:1168-1176.

[7] Barhate RS, Ramakrishna S. Nanofibrous filtering media: Filtration problems and solutions from tiny materials [J]. J Memb Sci, 2007,296(1-2): 1-8.

[8] Renuga G, Satinderpal K, Ma ZW, et al. Electrospun nanofibrous filtration membrane [J]. J Membrane Sci, 2006, 281(1-2): 581-–586.

[9] Kenawy ER, Bowlin, GL, Mansfield K. Release of tetracycline hydrochloride from electrospun poly(ethylene2-co-2vinylacetate),poly ( lactic acid), and a blend [J]. Control Release, 2002, 81: 57-64.

[10] 龐娟, 朱新生, 程思, 等. 溶劑與表面活性劑對醋酸丁酸纖維素靜電紡絲的影響[J].合成纖維, 2006,29(4):13-16.

[11] Pan ZJ, Qiu XW, Li CP, et al. Electrospun regenerated silk fibroin nanofiber diameter distributions and mechanical properties [J].Journal of Materials Science and Engineering, 2006, 24(2):187-192.

Electrospinning of Cellulose Acetate Butyrate Ultrafine Fiber

GUO Dan-dan, LIU Hao-hua, CUI Li, LIU Fen, YE Zheng-tao
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073, China)

Ultrafine fibers of cellulose acetate butyrate (CAB) were prepared via elcetrospinning. In this paper, single factor experiment was adopted to determine the effects of electric intensity and tip collector distance on the process of electrospinning and the morphology of the electrospun nanofibers were studied with SEM. The results showed that the nanofibers from solution, in which the content of CAB is 20wt%,and prepared under 25KV,

in 20cm were good for the electrospinning and the control of fiber morphology.

Cellulose Acetate Butyrate; Elcetrospinning; SEM

TQ341＋.2

A

1009－5160(2011)06－0025－05

*

崔莉(1980-)，女，副教授，博士，研究方向：功能纖維及功能紡織品.

湖北省教育廳中青年項(xiàng)目(Q20111609).