水溶性聚乙烯醇納米纖維氈的制備與表征

賈哲昆 楊銀英 王進(jìn)美

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安，710048)

水溶性聚乙烯醇納米纖維氈的制備與表征

賈哲昆 楊銀英 王進(jìn)美

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，西安，710048)

采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚乙烯醇(PVA)納米纖維氈，主要考察了紡絲液濃度和紡絲電壓對靜電紡纖維形成及其微觀形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:紡絲液的濃度對纖維的形成和形貌起著決定性作用，隨著PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在紡絲過程中紡絲液逐漸從液滴轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻睦w維，纖維直徑逐漸增加，當(dāng)紡絲液的PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，纖維形貌最佳;隨著紡絲電壓的提高，纖維平均直徑先是有一定程度的降低，但隨后降低幅度變得很小。通過實(shí)驗(yàn)確定了制備PVA納米纖維氈的最佳工藝為:紡絲液的PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，紡絲電壓18 kV，接收距離11 cm，擠出速度0.5 ml/h。

水溶性聚乙烯醇，靜電紡絲，納米纖維氈，工藝

靜電紡絲技術(shù)是目前制備納米纖維最重要的基本方法。靜電紡絲技術(shù)制備的超細(xì)纖維具有比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，在過濾材料、生物醫(yī)用材料、功能性服飾、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。美國和韓國在靜電紡絲法制納米纖維的研究及應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位［1］。

聚乙烯醇(PVA)具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，環(huán)境友好性，生物相容性及可降解性等優(yōu)點(diǎn)［2］。用PVA紡制的紡織纖維具有色澤好、強(qiáng)力高、吸濕性優(yōu)、耐磨、耐曬、耐腐蝕、無毒、無味等優(yōu)點(diǎn)。由于PVA大分子每個(gè)鏈節(jié)上都有一個(gè)親水的—OH，因而可溶于80～98℃的熱水中，降溫后溶液長時(shí)間不會(huì)凝固，因此可以用水對其進(jìn)行溶解，進(jìn)行靜電紡絲。靜電紡PVA納米纖維氈具有比表面積大、孔徑小、質(zhì)地柔軟的特點(diǎn)，是一種良好的生物醫(yī)用材料［3］，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛。

據(jù)研究，聚合物靜電紡絲產(chǎn)物形態(tài)決定于其形成過程中各個(gè)因素［4］，包括高分子溶液性質(zhì)、工藝因素及環(huán)境因素等。本文采用靜電紡絲法制備PVA納米纖維氈，系統(tǒng)地研究了紡絲液的性質(zhì)以及紡絲工藝中紡絲液濃度和紡絲電壓對納米纖維形貌的影響，為進(jìn)一步制備復(fù)合功能性生物醫(yī)用材料打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

JA2003電子天平，上海良平儀器儀表有限公司;

DJ1C-60DJ1C増力電動(dòng)攪拌器，江蘇大地自動(dòng)化儀器廠;

HHS-9S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，上海光地儀器設(shè)備有限公司;

KQ-100E超聲波清洗器，昆山市超聲波儀器有限公司;

自制靜電紡絲裝置，包括高壓發(fā)生裝置(0～40 kV、電流3 mA)，恒速注射泵和接收板等，見圖1;

完全醇解 PVA，聚合度 1750±50，醇解度99%，分析純，SCRC國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

冰乙酸，分析純，天津市國宇精細(xì)化工有限公司。

圖1 靜電紡絲裝置示意

1.2 測量與表征

在25℃下用SHB-1數(shù)字式黏度計(jì)測量各濃度紡絲液黏度，用電導(dǎo)率儀測溶液電導(dǎo)率;紡絲條件變化時(shí)，先用載玻片收集部分紡絲液噴出物，用數(shù)字式三維測量顯微系統(tǒng)VHX600觀察纖維形態(tài)的變化。經(jīng)過觀察，選出較合適的紡絲液濃度后，用鋁箔收集紡制纖維氈，再用VEGAⅡXMUINCA掃描電鏡(SEM)表征纖維形貌和直徑，并在各電鏡照片中抽取100根纖維測量其直徑分布。

1.3 水溶性PVA納米纖維氈的制備

將一定量的PVA顆粒加入盛有蒸餾水的容器中，將容器置于80～90℃水浴鍋內(nèi)，攪拌3h，冷卻至室溫，加入一定量的乙酸，超聲波震蕩1 h，使溶液混合均勻，分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%和10%的PVA溶液。在電壓18 kV、接收距離11 cm和擠出速度為0.5 ml/h的條件下，紡制納米纖維氈。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA紡絲液的性質(zhì)

黏度和導(dǎo)電率都是紡絲液能否形成纖維的關(guān)鍵因素。隨著PVA含量的增加，紡絲液的黏度和電導(dǎo)率幾乎呈線性增加。不同濃度PVA溶液的黏度和電導(dǎo)率見圖2。

2.2 PVA含量對紡絲工藝的影響

紡絲電壓固定在18 kV，依次試紡5種不同紡絲液濃度的試樣。待噴絲過程穩(wěn)定后，用載玻片收集部分噴出物，在數(shù)字式三維測量顯微系統(tǒng)觀察。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVA溶液在紡絲過程中，有大量的小液滴噴出，幾乎沒有纖維生成，見圖3(a);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的PVA溶液紡絲時(shí)，開始產(chǎn)生明顯的纖維，但噴絲過程斷斷續(xù)續(xù)，很不穩(wěn)定，纖維時(shí)有時(shí)無，纖維中明顯帶有結(jié)子，見圖3(b)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的PVA溶液紡絲時(shí)，纖維粗細(xì)均勻，幾乎無粘并現(xiàn)象，噴絲過程穩(wěn)定，說明此紡絲液濃度合適，用鋁箔收集纖維并紡制樣品，用 SEM觀察，見圖3(c);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的PVA溶液在噴絲過程中存在紡錘體，偶爾有大液滴噴出，部分有明顯的纖維粘連，且纖維直徑有一定程度的增大，見圖3(d);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PVA溶液在噴絲過程中有大量的紡錘體噴出，紡絲困難，收集到的纖維很少，見圖3(e)。這是由于隨著PVA含量的增加，紡絲液的黏度隨之提高，同樣的電壓條件下，靜電場力不能有效地牽伸紡絲液細(xì)流，導(dǎo)致纖維有大量的粘連，紡絲過程困難。

圖2 PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與紡絲液性質(zhì)的關(guān)系

2.3 電壓對紡絲工藝的影響

確定紡絲液的PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，變化電壓，觀察電壓對纖維形貌的影響。從電壓6 kV時(shí)開始出絲，噴絲過程不太穩(wěn)定，Taylor錐不明顯，時(shí)有時(shí)無;當(dāng)電壓增至10～25 kV時(shí)，紡絲基本穩(wěn)定;電壓超過25 kV時(shí)，出現(xiàn)較明顯的鞭動(dòng)不穩(wěn)定。在10、18和25 kV時(shí)制得樣品的SEM照片中各抽取100根纖維測量直徑，觀察直徑分布。在10 kV下制得樣品的纖維直徑分布在220～480 nm之間，平均直徑為 389 nm，且纖維不勻比較明顯，見圖4(a);在18 kV下制得樣品的纖維直徑分布在100～360 nm之間，纖維直徑主要分布在100～200 nm內(nèi)，平均直徑為274 nm，直徑波動(dòng)范圍明顯縮小，這是由于電壓升高后，靜電力變大，紡絲液能有效地分裂出更多更細(xì)的細(xì)流，使得纖維直徑變小，從纖維平均直徑和分布上都能看出增加電壓可減小纖維直徑，見圖4(b);但當(dāng)電壓增加到25 kV時(shí)，制得樣品的纖維直徑分布在100～400 nm之間，平均直徑為256 nm，纖維直徑和分布變化不大，具體原因還需要進(jìn)一步研究，見圖4(c)。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PVA溶液紡制纖維的SEM照片

圖4 不同紡絲電壓紡制纖維的SEM照片

3 結(jié)論

本文用靜電紡絲法制備了PVA納米纖維，同時(shí)研究了不同紡絲液濃度和紡絲電壓對紡絲液成纖和纖維形貌的影響。

(1)隨著紡絲液濃度的增大，PVA溶液的黏度和電導(dǎo)率幾乎呈線性增大。

(2)紡絲液濃度對紡絲成纖的影響最大，紡絲電壓次之。當(dāng)紡絲電壓固定在18 kV下，PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，出現(xiàn)纖維;達(dá)到6%時(shí)，纖維形貌最佳，纖維直徑分布在100～360 nm之間，平均直徑為274 nm。當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6%時(shí)，在10 kV電壓下，纖維直徑分布在220～480 nm之間，平均直徑為389 nm;在18 kV電壓下，纖維直徑分布在100～360 nm之間，平均直徑為274 nm;在25 kV電壓下，纖維直徑分布在100～400 nm之間，平均直徑為256 nm。纖維直徑隨著紡絲液濃度的增加而增加;在10～18 kV區(qū)域內(nèi)，隨著電壓的增大有明顯降低的趨勢。

(3)紡制PVA納米纖維氈適宜的工藝條件是:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的PVA溶液，電壓18 kV，接收距離11 cm，擠出速度0.5 ml/h。該條件下制得的纖維粗細(xì)均勻，紡絲過程穩(wěn)定。

［1］山下義裕.靜電紡絲制造納米纖維的方法［J］.合成纖維，2008(2):50-52.

［2］嚴(yán)瑞宣.水溶性高分子［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998:42.

［3］RSUKAD M，F(xiàn)REDDI G，CRIGHTION J.Structure and compatibility of poly(vinyl alcohol)/silk fibroin(PVA/SF)blend films［J］.J Polym Sci Part B:Polym Phys，1994，32:243.

［4］朱振東，劉杰.靜電紡絲制備納米纖維的研究進(jìn)展［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2008(12):1-5.

Preparation and characterization of water-soluble poly(vinyl alcohol)nanofibers mats

Jia Zhekun，Yang Yinying and Wang Jinmei
(Faculty of Texitile ＆ Material，Xi’an Polytechnic University)

Poly(vinyl alcohol)nanofibers mats were prepared by electrospinning，and the influence of the spinning solution concentration and the electrospinning voltage on the shape and the microstructure of nanofibers were investigated.The results showed that spinning solution concentration plays a decisive role in the fiber formation and with the increasing of the PVA concentration，spinning solution gradually transformed from the droplet to the uniform fiber，and the fibers diameter increased gradually.The fiber morphology was the best at the PVA concentration of reached 6%，with the increasing of the spinning voltage，the average diameter of fibers reduced to some extent firstly，but then there was almost no reduction in diameter.In the work，PVA nanofibers mats were prepared by electrospinning aqueous PVA solution with 6%concentration.The electrostatic field strength was fixed at 18 kV/11 cm.The feed rate of the solutions was controlled to about 0.5 ml/h.

poly(vinyl alcohol)，electrospinning，nanofiber mats，technology

TQ340.649;TQ342.41

A

1004－7093(2010)07－0012－04

2010－04－26

賈哲昆，男，1985年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣δ苄圆牧系难邪l(fā)。