液噴工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響及優(yōu)化*

楊利宏 韓萬里 王茹飄 邢聰驄 顧 建

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，嘉興，314001)

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液噴工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響及優(yōu)化*

楊利宏 韓萬里 王茹飄 邢聰驄 顧 建

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，嘉興，314001)

以聚氧化乙烯(PEO)/水體系為紡絲溶液，采用溶液噴射法進(jìn)行紡絲，制備PEO纖維。探討了溶液濃度、風(fēng)壓和擠出速率等工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響，并用正交試驗(yàn)優(yōu)化紡絲工藝和對(duì)結(jié)果進(jìn)行了方差分析。結(jié)果表明，紡絲溶液濃度和風(fēng)壓對(duì)纖維直徑影響顯著，在紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，風(fēng)壓0.3 MPa和擠出速率0.6 mL/h的條件下，可獲得直徑分布為0.9～1.6 μm的PEO微納米纖維。

溶液噴射法，工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)，纖維直徑

20世紀(jì)90年代微納米材料的研究發(fā)展迅速，其中以微納米纖維的研究最為突出。亞微米至納米級(jí)的超細(xì)纖維制成的材料可廣泛應(yīng)用于醫(yī)用材料、精細(xì)過濾材料、吸油材料、保暖材料、電池隔板以及空氣凈化等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。由于超細(xì)纖維制成的材料具有良好而廣闊的應(yīng)用前景，超細(xì)纖維的制備技術(shù)已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

目前大多數(shù)微納米纖維是通過靜電紡絲及熔噴紡絲等技術(shù)制備的。靜電紡纖維具有尺寸小、比表面積高、纖維膜孔徑小、孔隙率高等特性，但靜電紡絲存在單噴嘴生產(chǎn)率低，需使用高電壓等缺點(diǎn)，若設(shè)計(jì)多針頭靜電紡絲則存在中間針頭由于靜電屏蔽而放不出絲的現(xiàn)象。熔噴法在紡絲過程中需要熔融的聚合物流體和高速、高溫的熱空氣，耗能較大，且紡制的纖維直徑在1 μm以上?；陟o電紡絲和熔噴技術(shù)，聚合物溶液噴射(液噴)紡絲新技術(shù)[4]正逐漸發(fā)展起來。

液噴紡絲法作為一種制備微納米纖維的新型方法引起了人們廣泛的關(guān)注，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，為納米纖維的規(guī)?；投鄻踊a(chǎn)提供了新思路和新方法。Medeiros等[5]采用液噴紡絲法試紡了多種聚合物溶液體系，如聚乳酸/三氟乙醇(PLA/TFE)、聚乳酸∶聚苯胺/六氟異丙醇(PLA∶PAni/HFP)、聚苯乙烯/甲苯(PS/Toluene)和聚甲基丙烯酸甲酯/氯仿(PMMA/Chloroform)，獲得的纖維直徑依次為80～260、140～590、220～4 400和1 000～7 800 nm，并與靜電紡纖維的直徑進(jìn)行比較，結(jié)果表明液噴紡絲法制備的纖維直徑與靜電紡纖維直徑相近，但液噴紡絲法的生產(chǎn)效率可得到大幅度提高。Chen等[6]采用靜電紡絲和液噴紡絲方法制備了PMMA/聚丙烯腈(PAN)核殼納米纖維，可應(yīng)用于微生物燃料電池電極。Sinha-Ray等[7-8]使用平均質(zhì)量配比為40/60的大豆蛋白/聚酰胺6(PA 6)溶液進(jìn)行了液噴紡絲，并通過一定的后處理可有效提高纖維強(qiáng)力和楊氏模量。關(guān)克田[9]以纖維素/LiCl/二甲基乙酰胺(DMAc)體系，利用混合紡絲、同軸紡絲等方法，通過液噴紡絲實(shí)現(xiàn)納米纖維素的制備。楊小燦等[10]通過液噴紡絲法制備了直徑為160～380 nm的PAN納米纖維，經(jīng)預(yù)氧化及碳化得到平均直徑為170 nm的納米碳纖維。

液噴紡絲法不僅具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、耗能低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，而且可制備多種功能性納米纖維。很多學(xué)者對(duì)液噴紡絲法在新型纖維開發(fā)利用方面進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于其工藝參數(shù)對(duì)纖維性能影響的研究相對(duì)較少。本文結(jié)合液噴紡絲技術(shù)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)制備了聚氧化乙烯(PEO)微納米纖維，主要研究液噴紡絲中紡絲工藝參數(shù)，如溶液濃度、風(fēng)壓和擠出速率等相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

PEO，相對(duì)分子質(zhì)量為50萬，上海聯(lián)勝化工有限公司提供；去離子水。

用PEO和去離子水配制三種不同濃度的紡絲溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、6%和8%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置包括空壓機(jī)、氣流調(diào)節(jié)閥、微型注射泵、噴嘴和接收裝置?？諌簷C(jī)輸出的氣流經(jīng)氣流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后與紡絲噴嘴相連接，微型計(jì)量泵在噴嘴處將紡絲溶液擠出，擠出的紡絲溶液細(xì)流與高速氣流匯合后被拉伸，溶劑在接收距離內(nèi)迅速揮發(fā)，最終到達(dá)接收裝置，固化形成超細(xì)纖維。

圖1 液噴紡絲裝置示意

1.3 纖維表征

液噴微納米纖維用日本日立公司的S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察其表面形態(tài)，由Image-J軟件測(cè)試?yán)w維直徑及其分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)壓對(duì)纖維直徑的影響

圖2 風(fēng)壓對(duì)纖維直徑的影響

選取擠出速率為0.3、0.6、0.9和1.2 mL/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的紡絲溶液，在牽伸風(fēng)壓為0.3、0.2和0.1 MPa，接收距離為19 cm，針孔直徑為0.7 mm和室溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。 由圖2可以看出，在相同的聚合物擠出速率下，纖維的直徑隨著氣壓的增加而減小。這是由于在同樣的擠出速率下，隨著氣壓的增大，聚合物細(xì)流所受到的氣流牽伸力增大，從而使得聚合物拉伸充分，因而纖維直徑下降。另外，圖2也表明在同一氣壓下，纖維直徑隨著聚合物擠出速率的增加而增大。這是因?yàn)樵诳諝饬髁恳欢ǖ臈l件下，纖維所受到的氣流牽伸力相同，相同的牽伸力作用于較多的聚合物流體體積上，所獲得的纖維直徑較大。

2.2 紡絲溶液濃度對(duì)纖維直徑的影響

選取擠出速率為0.3、0.6、0.9和1.2 mL/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、6%和8%的紡絲溶液，在牽伸風(fēng)壓為0.2 MPa，接收距離為19 cm，針孔直徑為0.7 mm和室溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 紡絲溶液濃度對(duì)纖維直徑的影響

由圖3可以看出，在相同的聚合物擠出速率條件下，纖維直徑隨著聚合物紡絲溶液的濃度下降而減小，如擠出速率為1.2 mL/h時(shí)，8%、6%和4%的紡絲溶液在0.2 MPa風(fēng)壓下，制得的纖維直徑分別是10.638、5.523和4.654 μm，纖維直徑減小顯著。聚合物溶液的黏度與其濃度密切相關(guān)，溶液濃度越低，其黏度越小，有利于聚合物紡絲細(xì)流在氣流場(chǎng)下快速拉伸成超細(xì)纖維。圖3也進(jìn)一步表明，聚合物擠出速率對(duì)纖維直徑有一定影響，在同一聚合物溶液濃度下，纖維直徑隨著聚合物擠出速率的增加而增大，其主要原因也是因?yàn)樵谙嗤目諝鉅可炝ο拢^大的聚合物溶液濃度最終會(huì)獲得較大的纖維直徑。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用正交試驗(yàn)方法，在針孔直徑(7 mm)、針頭伸出長(zhǎng)度(2 mm)、接收距離(19 cm)等參數(shù)不變的情況下，選取紡絲溶液濃度、牽伸風(fēng)壓和溶液擠出速率為試驗(yàn)因素，采用正交表進(jìn)行試驗(yàn)，其因素水平表見表1，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以直觀地看出，3號(hào)和7號(hào)試驗(yàn)分別是得到最小和最大纖維直徑的試驗(yàn)方案，其平均直徑各為1.23和10.16 μm。3號(hào)試驗(yàn)的條件是紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，風(fēng)壓0.3 MPa、擠出速率0.9 mL/h；7號(hào)試驗(yàn)的條件是紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，風(fēng)壓0.1 MPa、擠出速率0.9 mL/h。兩種纖維的SEM照片見圖4和圖5。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

圖4 3號(hào)試驗(yàn)PEO纖維形貌及直徑分布

由圖4和圖5可以看出：在不同的試驗(yàn)方案下都可獲取表面光滑的纖維，成纖效果較好，沒有出現(xiàn)粘連現(xiàn)象；3號(hào)試驗(yàn)制得的纖維直徑分布在0.791～1.710 μm之間，纖維不勻率CV值為17.4%；7號(hào)試驗(yàn)制得的纖維直徑分布在9.112～11.227 μm之間，纖維不勻率CV值為6%；兩種纖維直徑分布都呈正態(tài)分布，3號(hào)試驗(yàn)制得的纖維直徑明顯小于7號(hào)試驗(yàn)制得的纖維。

圖6為三因素在各水平下的直觀分析圖?？梢钥闯觯弘S著紡絲溶液濃度和擠出速率的增加，纖維直徑都在增加，尤以隨著紡絲溶液濃度的增大，纖維直徑增幅更為明顯；隨著風(fēng)壓增加，纖維直徑下降，但下降幅度比較小，其極差為1.384。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，其顯著性排列為：因素A(紡絲液濃度)>因素B(風(fēng)壓)>因素C(擠出速率)>空列，得到的最優(yōu)工藝為A1B3C1，即紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、風(fēng)壓0.3 MPa和擠出速率0.6 mL/h。對(duì)此工藝條件進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，其制得的纖維平均直徑為1.184 μm，纖維不勻率CV值為13.65%，纖維直徑分布在0.9～1.6 μm之間，纖維形貌及直徑分布見圖7。

圖5 7號(hào)試驗(yàn)PEO纖維形貌及直徑分布

圖6 因素直觀分析圖

通過方差分析法分析各工藝參數(shù)對(duì)纖維直徑影響的顯著性，其計(jì)算結(jié)果見表3。通過計(jì)算可得在顯著性水平α=0.05以下，紡絲溶液濃度和風(fēng)壓對(duì)纖維直徑的影響是顯著的，擠出速率對(duì)纖維直徑影響不顯著。這是因?yàn)樵诩徑z溶液濃度、風(fēng)壓和擠出速率三因素中，紡絲溶液濃度對(duì)纖維成形的影響最為直接，紡絲溶液濃度越高，聚合物的含量越大，紡絲細(xì)流脫溶劑化后直接成纖含量增加，從而纖維直徑增加。

圖7 最優(yōu)試驗(yàn)方案下制備的纖維形貌及直徑分布

表3 統(tǒng)計(jì)分析及F檢驗(yàn)

3 結(jié)論

(1)以PEO溶液為紡絲液，采用液噴紡絲法可以制備微納米纖維。

(2)隨著紡絲溶液濃度和擠出速率的增加，纖維直徑增大；隨著風(fēng)壓增加，纖維直徑減小。

(3)紡絲溶液濃度和紡絲風(fēng)壓對(duì)纖維直徑影響顯著。PEO溶液的最佳液噴紡絲工藝是紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、風(fēng)壓0.3 MPa和擠出速率0.6 mL/h，在該條件下可以獲得纖維平均直徑為1.184 μm、不勻率CV值為13.65%、直徑分布在0.9～1.6 μm的微納米纖維。

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Effects and optimization of processing parameters on fiber diameter in solution blowing

YangLihong,HanWanli,WangRupiao,XingCongcong,GuJian

(Materials and Textile Engineering College, Jiaxing University)

A study of the effect of processing parameters on fiber diameter was accomplished, including solution concentration, air blowing pressure, and solution injecting rate for polyethylene oxide (PEO) solution via solution blowing. The orthogonal array method was designed for the process parameters and variance analysis was used to the experiment results. The results show that the fiber diameter was affected by the solution concentration, air blowing pressure significantly. PEO nano-microfibers with diameters of 0.9～1.6 μm were obtained with the solution concentration is 4%, air blowing pressure is 0.3 MPa, the solution injecting rate is 0.6 mL/h.

solution blowing, process parameter, orthogonal array design, fiber diameter

*國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目 (851914523)

2015-01-23

楊利宏，女，1993年生，在讀本科生。非織造材料與工程專業(yè)，非織造產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

韓萬里，E-mail：jxwlhan@163.com

TQ340.649;TQ342

A

1004-7093(2015)07-0006-05