靜電紡聚乙烯醇/殼聚糖復(fù)合纖維的制備

李碩 ，潘志娟,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

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靜電紡聚乙烯醇/殼聚糖復(fù)合纖維的制備

李碩1，潘志娟1,2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

摘要：以聚乙烯醇(PVA)和殼聚糖(CS)為原料，使用靜電紡絲設(shè)備制備復(fù)合納米纖維膜，紡絲液中CS的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)最大為1.3%。探究了紡絲工藝參數(shù)對靜電紡PVA/CS納米纖維膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，靜電紡PVA/CS復(fù)合納米纖維的直徑隨紡絲電壓的增大而減小，隨著紡絲距離的增大而增大，隨紡絲液流量的增加而增加。通過正交試驗得到優(yōu)化的紡絲工藝條件：紡絲電壓21kv，紡絲距離14cm，紡絲液流量0.2mL/h，所紡纖維的平均直徑為128 nm，纖維直徑CV值為28%。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲；聚乙烯醇；殼聚糖；工藝參數(shù)

隨著各種新型纖維和功能紡織品的快速發(fā)展，人們對傳統(tǒng)紡織品實現(xiàn)功能性的期望也愈加強烈，目前各種功能型紡織面料成為研發(fā)的熱點，如阻燃纖維[1]，抗紫外線纖維[2],抗菌纖維[3],遠(yuǎn)紅外纖維[4-5],負(fù)離子纖維[6],導(dǎo)電纖維[7],芳香織物[8],稀土發(fā)光纖維[9]等。其中抗菌纖維在醫(yī)療衛(wèi)生、空氣過濾、家紡、服裝等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。市面上的抗菌劑主要分為有機抗菌劑，無機抗菌劑，高分子抗菌劑和天然抗菌劑，其中天然抗菌劑中最常用的殼聚糖具有良好的抗菌性能、生物相容性、吸附性能，無毒性，而且容易修飾和改性，容易加工成纖維、薄膜、顆粒等各種形態(tài)，使之能適應(yīng)各種環(huán)境應(yīng)用的需要[10]。Wu等[11-12]發(fā)現(xiàn)殼聚糖的抗菌效果和其濃度，分子量，脫乙酰度，pH值有關(guān)。

目前紡制殼聚糖抗菌纖維使用比較普遍的方法有涂層法、多聚體法、濕法紡絲法、微晶法和靜電紡絲法。其中靜電紡納米復(fù)合纖維利用納米材料的小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)[13]大幅度提高纖維的比表面積和孔隙率，減小纖維間的孔徑，可以更好地發(fā)揮抗菌效果。Sam[14]，Ashleigh[15]，Mojtaba[16-17]等將殼聚糖分別與不同種類聚合物復(fù)合靜電紡絲得到纖維膜，并且發(fā)現(xiàn)纖維原細(xì)胞可以較好的在納米纖維膜上分散和增殖，沒有產(chǎn)生毒素反應(yīng)。

本文采用靜電紡絲法制備PVA/CS復(fù)合納米纖維膜，探討了紡絲工藝參數(shù)對纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，并通過三因素三水平正交試驗對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)紡絲工藝參數(shù)。

1實驗部分

1.1實驗材料與儀器

實驗材料：聚乙烯醇顆粒(PVA1788，常州市豐源紡織助劑有限公司)；乙酸(分析純，中國國藥化學(xué)試劑有限公司)；殼聚糖(麥克林C804729，200～400cp)。

實驗儀器：BS224S型Sartorius電子天平(德國賽多利斯公司)；醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)5mL的注射器；JB-90-3型恒溫雙向磁力攪拌器(上海振榮科學(xué)儀器有限公司)；SHJ-A水浴恒溫磁力攪拌器(金壇市金南儀器制造有限公司)；S-4800型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；M100微型注射泵(美國KD scientific公司)； DW-P503-1AC型高壓電源(天津東文高壓電源廠)。

1.2紡絲液的制備

用BS224S型電子天平稱取適量的PVA顆粒在水浴恒溫磁力攪拌器中加熱攪拌至完全溶解于去離子水中，向PVA溶液中加入適量乙酸溶液，之后分別加入不同質(zhì)量的CS粉末在室溫下攪拌均勻，最終配成PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.5%，1%，1.3%的混合紡絲液。

1.3PVA/CS復(fù)合纖維膜的制備

圖1為靜電紡絲裝置的示意圖。將PVA/CS混合紡絲液加入到帶金屬針頭(內(nèi)徑為0.85mm)的玻璃注射器)中，紡絲電壓由高壓直流電源控制，紡絲液的流量由微型流量泵控制。環(huán)境條件：室溫為25℃，相對濕度為35%±5%。

圖1　單噴靜電紡裝置圖

1.4纖維形貌

將紡制的纖維膜制樣后噴金，然后在掃描電子顯微鏡(S-4800型，日本日立公司)下觀察并記錄，每個樣品隨機拍下3張照片，用Image-Pro Plus 5.0圖象處理軟件測試復(fù)合納米纖維的直徑，每一試樣測定100根纖維，得到單纖維直徑平均值及其CV值。

2結(jié)果與討論

2.1紡絲工藝對纖維直徑和形態(tài)的影響

2.1.1紡絲電壓的影響

為了探究紡絲電壓對納米纖維膜的影響，使用PVA濃度為8%，CS濃度為1.3%，乙酸濃度為1%的混合紡絲溶液。紡絲過程中，紡絲液流量為0.3mL/h，紡絲接收距離為12cm，改變紡絲電壓分別為15、17、19、21、23kV，環(huán)境溫度22℃，濕度35%。圖2是在不同紡絲電壓下得到的纖維膜的電鏡圖片，表1是相應(yīng)的纖維平均直徑與變異系數(shù)。由表1分析可知，當(dāng)紡絲電壓從15kV增加到23kV時，纖維的平均直徑從152nm減少到124nm，這主要是由于紡絲電壓增大時，增加了帶電射流表面的電荷，使得電場力對射流的拉伸加劇，纖維直徑變小。而當(dāng)紡絲電壓為15kV時，纖維直徑的變異系數(shù)最小，這是由于紡絲電壓小有利于靜電紡絲的穩(wěn)定性，纖維形貌也相對均勻。

圖2　不同電壓下PVA/CS納米纖維膜FE-SEM圖

電壓/kV平均直徑/nm變異系數(shù)CV/%15152±382517137±413019136±372721130±382923124±4435

2.1.2紡絲液流量的影響

在PVA濃度為8%，CS濃度為1.3%，乙酸濃度為1%，紡絲電壓為19kV，紡絲接收距離為12cm，紡絲液流量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mL/h，環(huán)境溫度22℃，濕度35%的條件下進行靜電紡絲。如圖3是在不同流量下得到的纖維膜的電鏡圖片，表2是相應(yīng)的納米纖維平均直徑與變異系數(shù)，由表2可以看出，隨著紡絲流量的增加，PVA/CS復(fù)合纖維直徑變化不明顯，但是變異系數(shù)在逐漸增加，說明隨著流量的增加，纖維直徑均勻性下降。

圖3　不同流量下PVA/CS納米纖維膜FE-SEM圖

流量/(mL/h)平均直徑/nm變異系數(shù)CV/%0.1129±23180.2127±23180.3136±37270.4143±37260.5129±3628

2.1.3紡絲接收距離的影響

在PVA濃度為8%，CS濃度為1.3%，乙酸濃度為1%，紡絲電壓為19kV，紡絲液流量為0.3mL/h，紡絲接收距離分別為8、10、12、14、16cm，環(huán)境溫度22℃，濕度35%的條件下進行靜電紡絲。如圖4接收距離紡絲液流量下紡絲得到的纖維膜的電鏡圖片表3是相應(yīng)的納米纖維平均直徑與變異系數(shù)，隨著接收距離增加，纖維的直徑有增加的趨勢，個別有波動現(xiàn)象，是由于紡絲射流在靜電場中的路徑增加，靜電力對紡絲射流作用的時間隨之增加，另外紡絲距離增加使得電場強度減小，當(dāng)前者為主要影響因素時，纖維的直徑減?。缓笳哒贾鲗?dǎo)因素時，纖維直徑增加。

圖4　不同紡絲接收距離下PVA/CS納米纖維膜FE-SEM圖

距離/cm直徑/nm變異系數(shù)CV/%8118±282410131±362712136±372714151±483216144±2920

2.2紡絲工藝條件的優(yōu)化

為了確定紡絲接收距離、紡絲電壓和紡絲液流量三因素的優(yōu)化工藝組合，采用正交實驗的方法進行分析。在以上三組單因素實驗的基礎(chǔ)上，為每個因素分別確定了三個水平進行正交實驗。各因素水平如表4所示，正交實驗方案Lq(3)4及結(jié)果如表5所示。

表4　三因素三水平對照表

表5　三因素三水平實驗方案及結(jié)果

將纖維直徑大小作為紡絲條件優(yōu)劣的評價指標(biāo)，使用直觀分析法對正交結(jié)果進行分析，如表5可以看出B因素，即紡絲液流量為主要影響因素，其次為接收距離和電壓，比較k值發(fā)現(xiàn)A3B1C3的水平因素組合得到的纖維直徑最小。綜上分析，確定優(yōu)化工藝條件為紡絲電壓21kV，紡絲液流量0.2mL/h，接收距離14cm。

3結(jié)論

(1)采用單噴靜電紡絲裝置制備的PVA/CS復(fù)合納米纖維膜纖維表面光滑，直徑可以達(dá)到130nm左右，紡絲狀態(tài)良好，最多可以將混合紡絲液中CS的濃度增加到1.3%。

(2)靜電紡絲過程中纖維直徑受到紡絲電壓，紡絲液流量和紡絲接收距離的影響。由單變量實驗結(jié)果分析得知當(dāng)流量為0.3mL/h，距離為12cm時，在15～23kV范圍內(nèi)電壓越大纖維直徑越細(xì)；當(dāng)電壓為19kV，距離為12cm時，在0.1～0.5mL/h范圍內(nèi)流量越大纖維直徑越大；當(dāng)電壓為19kV，流量為0.3mL/h，在8～14cm范圍內(nèi)距離越大纖維直徑越大。采用三因素三水平正交實驗得出優(yōu)化紡絲工藝條件為：紡絲液流量0.2mL/h，紡絲距離14 cm，紡絲電壓21kV。

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收稿日期：2016-02-01