高壓噴氣霧化靜電紡制備聚丙烯腈納米纖維

張明軍，王利丹，余志才，何建新

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院，鄭州 450007)

高壓噴氣霧化靜電紡制備聚丙烯腈納米纖維

張明軍，王利丹，余志才，何建新

(中原工學(xué)院紡織學(xué)院，鄭州 450007)

提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲制備納米纖維的方法。通過(guò)電場(chǎng)力和氣流力的雙重作用原理制備了聚丙烯腈(PAN)納米纖維，分析了紡絲液濃度、紡絲電壓、氣壓和接收距離等紡絲的主要工藝參數(shù)對(duì)成形的PAN纖維的形態(tài)和直徑的影響。結(jié)果表明：紡絲液濃度、紡絲電壓、氣流壓力和接收距離等工藝條件對(duì)纖維的形態(tài)和直徑有明顯的影響。當(dāng)紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，紡絲電壓為30kV，氣流壓力為0.8MPa，紡絲距離為40cm時(shí)，成形纖維的直徑較細(xì)且均勻。

高壓噴氣；納米纖維；直徑；靜電紡絲

0 引 言

靜電紡納米纖維具有超細(xì)的尺度、極高的比表面積，以及獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和孔隙等卓越性能，在紡織服裝、組織支架、電子器件、過(guò)濾材料、醫(yī)療與衛(wèi)生健康等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。近些年，一些研究者將氣流運(yùn)用到靜電紡絲制備納米纖維的過(guò)程中[4]。Yao等[5]在原有靜電紡裝置的基礎(chǔ)上，增加氣路系統(tǒng)，應(yīng)用靜電力和氣流力與聚合物射流之間摩擦力的合力對(duì)射流進(jìn)行拉伸，得到均勻的聚砜納米纖維。Tudorel等[6]設(shè)計(jì)了一種氣流旋轉(zhuǎn)輔助的靜電紡絲法，通過(guò)壓縮空氣在噴口周?chē)a(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流來(lái)獲取具有一定取向的納米纖維，纖維直徑在100～700nm之間。在這些研究中，氣流的主要作用在于輔助牽伸獲得更細(xì)的納米纖維或使納米纖維平行取向。然而，這些方法中參數(shù)不易調(diào)節(jié)和控制，并且操作不便，同時(shí)產(chǎn)量也有限。

本文提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲制備納米纖維的新方法，采用低濃低黏的紡絲溶液，在噴口處經(jīng)一層700目濾網(wǎng)的切割變成微米級(jí)的小液滴，這些小液滴經(jīng)高速氣流的粉碎霧化變成更加微小的液滴，然后在電場(chǎng)力和氣流力的雙重作用下使微液滴拉伸成納米纖維，該方法可以使液滴二次粉碎，同時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)方便，得到的纖維直徑更細(xì)且均勻。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

聚丙烯晴粉末(PAN)，相對(duì)分子質(zhì)量1500000。N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，相對(duì)分子質(zhì)量73.09，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 紡絲液的配制

稱取一定量的PAN置于DMF溶劑中，水浴攪拌使其溶解配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的紡絲溶液，溫度為80℃，時(shí)間為4h。

1.3 高壓噴氣靜電紡實(shí)驗(yàn)裝置

高壓噴氣靜電紡絲裝置如圖1所示，裝置中包括接收板、高壓發(fā)生器、噴槍、氣泵、供液裝置(由儲(chǔ)液罐和蠕動(dòng)泵組成)。其中噴槍和接收板分別與高壓發(fā)生器的正負(fù)極相連。儲(chǔ)液罐中的紡絲液在蠕動(dòng)泵的作用下進(jìn)入噴槍，噴槍的出口處裝有700目的濾網(wǎng)(孔徑約25μm)，紡絲液經(jīng)濾網(wǎng)被分割成許多小液滴。小液滴經(jīng)高壓氣流作用粉碎霧化成微液滴進(jìn)入電場(chǎng)，靠靜電力的拉伸形成納米纖維，在接收板上成納米纖維網(wǎng)。紡絲工藝參數(shù)主要有紡絲液濃度、紡絲電壓和接收距離。

1.4 流場(chǎng)的模擬

運(yùn)用流場(chǎng)軟件Fluent模擬氣流從噴嘴噴出后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖2所示。將紡絲噴頭簡(jiǎn)化為壁厚0.001m，高為0.05m，底面直徑分別為0.07m和0.05m的兩個(gè)相嵌的空心圓柱體，氣流的運(yùn)動(dòng)空間為一長(zhǎng)方體，長(zhǎng)0.8m、寬0.6m、高0.6m。氣體進(jìn)口處的總壓分別為0.8、0.6、0.4MPa，靜壓為1.01×105Pa，出口處壓強(qiáng)為1.01×105Pa。噴嘴內(nèi)部氣體流動(dòng)屬湍流，流場(chǎng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，長(zhǎng)方體的面為滑動(dòng)壁。

圖1 高壓噴氣霧化靜電紡裝置

1.5 纖維的直徑分析

將納米纖維噴金處理，掃描電鏡觀察纖維形貌，并隨機(jī)抽取30根纖維，用圖形處理軟件統(tǒng)計(jì)纖維的平均直徑。

圖2 高壓噴氣流場(chǎng)軟件模擬

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維的成形機(jī)理

實(shí)驗(yàn)中，紡絲溶液先在噴口處經(jīng)濾網(wǎng)切割變成20μm左右的微米級(jí)小液滴，然后在高壓氣流的粉碎作用下霧化成更加細(xì)小的微液滴。不同接收距離下的產(chǎn)物如圖3所示，在離噴口3cm處產(chǎn)物為直徑在5μm左右的圓形或橢球形的液滴，在5cm處為兩端帶有尾巴的紡錘體，隨著距離的進(jìn)一步增大，紡錘體逐漸消失形成纖維。紡絲成形過(guò)程中液滴受到空氣的摩擦作用，溶劑揮發(fā)凝固，在電場(chǎng)力和氣流力的雙重牽伸作用下，中間橢球體逐漸被抽長(zhǎng)拉細(xì)，最終形成固化后的納米纖維，如圖3所示。

圖3 成形機(jī)理

2.2 紡絲電壓對(duì)成形纖維形態(tài)的影響

靜電紡過(guò)程中，電壓是影響纖維直徑的一個(gè)非常重要的參數(shù)。隨著電壓的升高，電場(chǎng)強(qiáng)度變大，液滴受到的電場(chǎng)力較大，有利于液滴牽伸細(xì)化，適當(dāng)?shù)纳唠妷?，可以降低纖維的直徑，提高纖維的均勻度。隨著電壓的持續(xù)升高，液滴受到的電場(chǎng)力過(guò)大，使液滴在電場(chǎng)中的拉伸時(shí)間變短，會(huì)導(dǎo)致液滴拉伸不夠充分，直徑又逐漸變大，不勻率升高。

圖4 紡絲電壓與纖維直徑的關(guān)系

圖4為纖維直徑與紡絲電壓之間的關(guān)系。當(dāng)外加電壓達(dá)到20kV時(shí)，有少量細(xì)流噴出，并且纖維很粗；增加電壓至25kV時(shí)，有較多的纖維噴出，納米纖維直徑明顯小了很多；當(dāng)電壓達(dá)到30kV時(shí)，噴出纖維較細(xì)且均勻；繼續(xù)增加電壓到35kV時(shí)，纖維變粗，纖維量減少。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓為30kV時(shí)，所得纖維粗細(xì)比較較均勻。

2.3 紡絲氣壓對(duì)成形纖維形態(tài)的影響

氣壓對(duì)纖維直徑的影響主要是根據(jù)流場(chǎng)的分布特點(diǎn)，處于流場(chǎng)邊緣和流場(chǎng)中心位置的紡絲溶液受到的氣流作用大小不同，霧化形成的液滴大小不勻，從而最終形成的纖維會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)不勻的現(xiàn)象。

圖5為不同氣壓下纖維的電鏡圖。從整體看來(lái)，纖維表面比較光滑圓潤(rùn)，成形良好。當(dāng)氣壓較低時(shí)，纖維的直徑分布較廣，大多數(shù)纖維的直徑較大，并且部分纖維之間出現(xiàn)粘連。隨著氣壓的增大，纖維的直徑逐漸降低，且分布趨向均勻。當(dāng)氣壓增大到0.8MPa時(shí)，雖然有少數(shù)較粗但大部分纖維的直徑較細(xì)。考慮設(shè)備成本等因素，可認(rèn)為當(dāng)氣壓增大到0.8MPa時(shí)已經(jīng)能夠滿足紡絲要求。

圖5 不同紡絲氣壓下纖維的電鏡照片

2.4 紡絲液濃度對(duì)成形纖維直徑的影響

紡絲液濃度也是影響纖維直徑的一個(gè)重要的參數(shù)。隨著紡絲溶液濃度的增加，紡絲液中大分子之間的作用力增加，紡絲液的黏度變大，在電場(chǎng)力不變的情況下，液滴在電場(chǎng)中不易被牽伸，纖維直徑會(huì)顯著增加，當(dāng)濃度太大時(shí)，黏度較大，堵塞噴絲口，影響實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。

圖6 紡絲溶液濃度與纖維直徑的關(guān)系

圖6為紡絲液濃度與纖維直徑的關(guān)系。當(dāng)濃度為9%時(shí)，有少量的納米纖維生成，直徑很細(xì)；當(dāng)溶液濃度達(dá)到11%時(shí)，納米纖維的直徑較細(xì)，且均勻；當(dāng)溶液濃度為13%時(shí)，納米纖維的直徑變粗，不均勻；當(dāng)溶液濃度為15%時(shí)，纖維直徑更粗，且這個(gè)時(shí)候需要很大的電壓才能?chē)姵黾{米纖維。綜合考慮，當(dāng)紡絲液濃度為11%時(shí)適合紡絲。

2.5 紡絲接收距離對(duì)成形纖維直徑的影響

紡絲距離也可以影響纖維成形，其他條件不變的情況下，在一定距離范圍內(nèi)，隨著紡絲距離的變大，纖維直徑逐漸變細(xì)。由于液滴在電場(chǎng)中被拉伸的距離變大，拉伸的時(shí)間變長(zhǎng)，有利于纖維的細(xì)化。當(dāng)接收距離增大到一定距離后，液滴不再被拉伸，納米纖維已經(jīng)固化成形，直徑變化不明顯。

從圖7中可以看出，當(dāng)接收距離為35 cm纖維的直徑較粗，纖維拉伸不夠，當(dāng)接收距離為40cm時(shí)纖維直徑較細(xì)，當(dāng)接收距離為45cm時(shí)，纖維的直徑下降不明顯，當(dāng)接收距離為50cm時(shí)，纖維直徑很細(xì)，但大部分纖維都沒(méi)有落到接收屏上。因此，紡絲距離以40cm左右為宜。

圖7 接收距離與納米纖維直徑的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲的新裝置，通過(guò)對(duì)各參數(shù)條件下所紡納米纖維直徑的統(tǒng)計(jì)分析，得出高壓噴氣靜電紡絲最佳條件：紡絲液濃度為11%，紡絲電壓為30kV，氣流壓力為0.8MPa，紡絲距離為40cm。該方法為納米纖維的規(guī)?；苽涮峁┝艘环N新的途徑。

[1] 劉輔庭.靜電紡絲納米纖維研究的最新動(dòng)向[J].非織造布，2010(6):27-30.

[2] 鐘智麗,王訓(xùn)該.納米纖維的應(yīng)用前景[J].紡織學(xué)報(bào),2006,27(1):107-110.

[3] 羅益鋒.納米纖維及其對(duì)未來(lái)世界的影響[J].高科技纖維與應(yīng)用,2004,29(2):1-6

[4] 劉 雍.氣泡靜電紡技術(shù)及其機(jī)理研究[D].上海:東華大學(xué),2008.

[5] Yao Y Y, Zhu P X, Wu D D, et al. Polysulfone nanofibers prepared by electrospinning and gas/jet-electrospinning[J]. Acta Polymerica Sinica, 2005(5): 687-692.

[6] Tudorel B M, Leonard I, Iulia B M. Morphological aspects of polymer fiber mats obtained by air flow rotary-jet spinning[J]. Fibers and Polymers, 2013(9): 1526-1534.

(責(zé)任編輯：陳和榜)

Preparation of Polyacrylonitrile Nanofiber by High-Pressure Air-Jet Atomized Electrospinning

ZHANGMingjun,WANGLidan,YUZhicai,HEJianxin

(School of Textile, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007,China)

A method of preparing nanofiber through high-pressure air-jet atomized electrospinning was introduced. PAN nanofiber was prepared under the double effect of electric field force and air flow force. The effects of main technological parameters for spinning such as spinning solution concentration, spinning voltage, air pressure and reception distance on the morphology and diameter of formed PAN nanofiber were studied. The results show that spinning solution concentration, spinning voltage, air pressure and reception distance have obvious influences on the morphology and diameter of fiber. The diameter of the formed fiber is think and even under such technological praemters: mass percent of spinning solution 11%, spinning voltage: 30kV, air flow pressure 0.8 MPa and spinning distance 40cm.

high pressure air-jet； nanofiber； diameter； electrostatic spinning

2014-06-26

河南省基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(122300410242)

張明軍(1986-)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要從事紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)方面的研究。

TQ340.6

A

1009-265X(2015)01-0009-04