靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能研究

洪 杰 尹桂波 史芬芬

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能研究

洪 杰 尹桂波 史芬芬

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

利用靜電紡絲可形成由納米級(jí)纖維組成的納米纖維膜，由于該膜孔徑小并具有高比表面積和高孔隙率，可用作組織工程支架、傳感器感知膜、過濾材料和防護(hù)材料等。靜電紡納米纖維膜的力學(xué)性能對(duì)其適用性和耐用性有重要影響。以PA 6甲酸溶液進(jìn)行靜電紡絲，研究了紡絲液喂入速度和紡絲距離對(duì)靜電紡PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:紡絲液喂入速度較低時(shí)，形成的納米纖維膜力學(xué)性能差;紡絲距離增大時(shí)，納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度降低;PA 6溶解于98%甲酸中配制成13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))紡絲液，在噴嘴口徑0.9 mm、電壓30 kV下進(jìn)行靜電紡絲，紡絲液喂入速度在0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm時(shí)可獲得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

靜電紡絲，PA 6納米纖維膜，力學(xué)性能，工藝條件

靜電紡絲是一種采用電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)成纖的技術(shù)，由于可形成納米級(jí)纖維而受到人們的重視，目前已有眾多天然與合成高聚物采用靜電紡絲技術(shù)形成納米纖維膜與管。納米纖維膜比表面積大、孔隙率高、質(zhì)量輕，其在組織工程支架、傳感器感知膜、防護(hù)性服用材料、導(dǎo)電及增強(qiáng)材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究已廣泛展開，在過濾方面的應(yīng)用研究已較為成熟［1-3］。

聚酰胺6(PA 6)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，易溶于甲酸，靜電紡絲時(shí)成纖性好，這為靜電紡PA 6納米纖維的應(yīng)用提供了基本條件。芬蘭Heikkila［4］全面研究了靜電紡絲工藝參數(shù)對(duì)PA 6纖維形態(tài)的影響;我國(guó)蘇州大學(xué)潘志娟［5］對(duì)靜電紡PA 6納米纖維的性能做了較深入的研究。Aussawasathien［6］將靜電紡 PA 6 納米纖維膜(纖維直徑30～110 nm)用作水預(yù)過濾膜，發(fā)現(xiàn)其能夠完全清除1～10 μm 微粒，對(duì)0.5 μm 微粒的過濾效率達(dá)到90%，用該膜可提高超濾膜或納濾膜的過濾效率，延長(zhǎng)使用壽命;任峰等［7］利用靜電紡PA 6纖維膜制備夾心式納米超凈化材料，發(fā)現(xiàn)其對(duì)酵母菌的過濾效率可達(dá)99.976%。在上述諸多應(yīng)用中，靜電紡納米纖維膜的力學(xué)性能對(duì)其適用性和耐用性有重要影響。本文利用甲酸溶解PA 6進(jìn)行靜電紡絲，采用掃描電鏡(SEM)觀察靜電紡PA 6纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，研究紡絲液喂入速度和紡絲距離對(duì)纖維膜力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 靜電紡絲

將PA 6切片(Sigma Aldrich公司生產(chǎn))放入98%甲酸(上?；瘜W(xué)試劑有限公司，分析純)中，室溫下用磁力攪拌器攪拌至完全溶解，制得13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的PA 6紡絲液。在自行設(shè)計(jì)的靜電紡絲裝置上進(jìn)行靜電紡絲，金屬網(wǎng)收集。在電壓30 kV，噴嘴口徑0.9 mm 條件下，分別采用8、10、12 cm的紡絲距離(噴嘴到收集網(wǎng)的距離)，每種紡絲距離下分別采用 0.1、0.2、0.3 ml/h 的紡絲液喂入速度，制得9種靜電紡PA 6納米纖維膜。

1.2 納米纖維膜的形態(tài)測(cè)試

用日本日立公司S-570型SEM觀察納米纖維膜形態(tài)，并以專業(yè)的圖像處理軟件度量計(jì)算，測(cè)得其纖維的實(shí)際直徑。

1.3 納米纖維膜的力學(xué)性能測(cè)試

采用YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度測(cè)試儀測(cè)試?yán)w維膜厚度，每一樣品取5個(gè)點(diǎn)。用刀片從纖維膜上取尺寸為1 mm×50 mm的細(xì)長(zhǎng)條樣品，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件(T=20℃，RH=65%)下平衡24 h，在LLY-06型電子單纖維強(qiáng)力儀上進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，試樣夾持長(zhǎng)度 10 mm，拉伸速度10 mm/min，預(yù)加張力0.2 cN，每一樣品測(cè)5個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)下式計(jì)算斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率:

2 結(jié)果與討論

2.1 PA 6納米纖維膜形態(tài)

圖1為靜電紡PA 6納米纖維膜放大不同倍數(shù)的SEM照片。從圖1可以看出，用PA 6甲酸溶液進(jìn)行靜電紡絲，成纖性好，纖維均勻連續(xù)，無(wú)珠狀物，9種條件下制得的納米纖維膜中纖維的平均直徑為180～200 nm，直徑分布均勻;納米纖維膜中上下貫穿的微孔孔徑為80～260 nm，孔隙率在80%以上;納米纖維膜表面均勻、平整。這為靜電紡PA 6納米纖維膜在高效空氣過濾、污水處理、醫(yī)用防護(hù)材料和抗菌材料中的應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)條件。

圖1 PA 6納米纖維膜SEM照片

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 紡絲液喂入速度對(duì)PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

表1列出了靜電紡PA 6納米纖維膜的性能測(cè)試結(jié)果。由表1可以看出，PA 6納米纖維膜的厚度均較小，最薄僅為10.6 μm，但均表現(xiàn)出較高的斷裂伸長(zhǎng)率，最高可達(dá)68.24%，表明PA 6納米纖維膜具有良好的柔性，能夠適合不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。

表1 靜電紡PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能

當(dāng)紡絲距離分別為8、10和12 cm時(shí)，發(fā)現(xiàn)紡絲液喂入速度對(duì)PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響表現(xiàn)出不同特征，如圖2所示。在紡絲距離為8 cm時(shí)，隨紡絲液喂入速度增加，斷裂強(qiáng)度先增后降;在紡絲距離為10 cm時(shí)，紡絲液喂入速度與斷裂強(qiáng)度呈正比例關(guān)系;在紡絲距離達(dá)到12 cm時(shí)，紡絲液喂入速度對(duì)斷裂強(qiáng)度影響較小，隨喂入速度的提高略呈下降趨勢(shì)。

圖2 不同紡絲距離下紡絲液喂入速度對(duì)PA 6納米纖維膜斷裂強(qiáng)度的影響

比較紡絲液在不同喂入速度下制得的PA 6納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度，從表1數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)喂入速度較低時(shí)，即當(dāng)喂入速度為0.1 ml/h時(shí)制得的PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能普遍較差，其最高的斷裂強(qiáng)度只達(dá)到3.53 MPa(7號(hào)樣品)。與之相比，在0.2和0.3 ml/h紡絲液喂入速度下制得的PA 6納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度明顯提高，特別是2號(hào)和5號(hào)樣品(0.2 ml/h)，3 號(hào)和6 號(hào)樣品(0.3 ml/h)斷裂強(qiáng)度均達(dá)到或超過5.38 MPa。

2.2.2 紡絲距離對(duì)PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，在8和10 cm紡絲距離時(shí)制得的PA 6納米纖維膜的力學(xué)性能總體上高于12 cm紡絲距離時(shí)制得的PA 6納米纖維膜。后者(7～9號(hào)樣品)的斷裂強(qiáng)度普遍較低，均等于或小于3.69 MPa;而前者的斷裂強(qiáng)度在 2.86～6.69 MPa之間，其中1號(hào)和4號(hào)樣品因紡絲液喂入速度小，斷裂強(qiáng)度較低，而2、3、5和6號(hào)樣品具有較高的斷裂強(qiáng)度。這可能是伴隨紡絲距離的增加，在電壓一定的情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度下降，對(duì)噴射流的拉伸作用下降，分子取向降低，從而導(dǎo)致纖維膜的力學(xué)性能下降，因而在靜電紡絲時(shí)，為獲得較高電場(chǎng)，保證噴射流的充分拉伸，以較短的紡絲距離為宜。

綜合分析圖2可發(fā)現(xiàn)，斷裂強(qiáng)度較高的點(diǎn)均位于該圖的右上角，即紡絲液喂入速度在0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm時(shí)可獲得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

2.2.3 膜厚度對(duì)PA 6納米纖維膜力學(xué)性能的影響

從表1可看出，紡絲距離為12 cm時(shí)制得的7～9號(hào)樣品的膜厚度總體偏薄，斷裂強(qiáng)度總體偏低，原因前已分析，可將該組數(shù)據(jù)排除在外。在紡絲距離為8～10 cm時(shí)制得的樣品，隨著膜厚度的增加PA 6納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度也隨之增加。但在紡絲液喂入速度較低(0.1 ml/h)時(shí)，由于難以形成均勻穩(wěn)定的噴射流，紡絲速度較慢，在纖維網(wǎng)上難以沉積PA 6纖維。由表1還可看出，1號(hào)和4號(hào)樣品的厚度較薄，而在喂入速度為0.2～0.3 ml/h時(shí)制得樣品的膜厚度總體較厚。由于靜電紡納米纖維在收集網(wǎng)上呈現(xiàn)非織造布狀排列，膜越厚，纖維間縱橫交錯(cuò)程度越高，所以斷裂強(qiáng)度越大。6號(hào)樣品的膜厚度達(dá)到35.0 μm，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到6.90 MPa。因此，必須在一定的紡絲距離、紡絲液喂入速度達(dá)到一定值的條件下制得一定厚度的納米纖維膜才能具有較高的強(qiáng)度。經(jīng)分析，再次確定在本實(shí)驗(yàn)中紡絲距離為8～10 cm、紡絲液喂入速度0.2～0.3 ml/h是較適宜的工藝條件。

3 結(jié)論

(1)紡絲液喂入速度較低時(shí)，形成的PA納米纖維膜較薄，其力學(xué)性能普遍較差。

(2)紡絲距離增大時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度下降，纖維拉伸小，分子取向度差，因而PA納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度降低。

(3)PA 6溶解于98%甲酸中配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的紡絲液，在噴嘴口徑0.9 mm、電壓30 kV下進(jìn)行靜電紡絲，選擇紡絲液喂入速度0.2～0.3 ml/h、紡絲距離為8～10 cm的工藝條件可制得具有良好力學(xué)性能的PA 6納米纖維膜。

［1］覃小紅，王善元.靜電紡納米纖維的過濾機(jī)理及性能［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，33(1):15-18.

［2］戴友剛，左保齊.靜電紡絲非織造過濾材料研究進(jìn)展［J］. 產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(7):1-6.

［3］陸建巍，任祥忠，陳藝章.靜電紡絲法制備聚甲醛納米纖維［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(9):1870-1873.

［4］HEIKKILA P，HARLIN A.Parameter study of electrospinning of polyamide-6［J］.European Polymer Journal，2008，44:3067-3079.

［5］夏艷杰，高曉艷，潘志娟.靜電紡尼龍6/66纖維氈的濕熱處理及其結(jié)構(gòu)與性能［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，26(3):422-426.

［6］AUSSAWASATHIEN D ，TEERAWATTANANON C，VONGACHARIYA A.Separation of micron to sub-micron particles from water:electrospun nylon-6 nanofibrous membranes as pre-filters［J］.Journal of Membrane Science，2008，315:11-19.

［7］任峰，劉太奇.夾心式納米超凈化材料的制備及凈化除菌性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(5):135-138.

Study on the mechanical properties of electrospun PA 6 nanofiber membranes

Hong Jie，Yin Guibo，Shi Fenfen
(Textile Department，Nantong Textile Vocational Technology College)

The electrospinning was used to produce nanofiber membrane.For the membrane of high specific surface area and porosity ratio，it could be widely used on the sectors of structure engineering scaffold，transfer sensor perception membrane，filter material and protective material.The mechanical properties of electrospun nanofiber membrane have significant influence of its applicability and endurance.The electrospinning was used to produce PA 6 nanofiber membrane，the spinning feeding speed and spinning distance effected on mechanical properties of electrospun PA 6 nanofiber membranes.The results indicate that:the lower feeding speed of spinning solvent relative to poor mechanical property of nanofiber membrane，and increasing spinning distance would decrease the breaking tenacity of membrane.PA 6 was solved in 98%formic acid to produce 13wt%spinning liquid with technical parameters of 0.9 mm of nozzle diameter and 30 kV of voltage and feeding speed 0.2 ～0.3 ml/h as well as the distance 8～10 cm，the PA 6 nanofiber membrane of favorable mechanical properties would be obtained.

electrospinning，PA 6 nanofiber membrane，mechanical property，technique parameter

TQ340.649;TQ342.11

A

1004－7093(2010)09－0022－03

2010－04－15

洪杰，男，1981年生，講師。主要從事與紡織材料、紡織品檢測(cè)和紡紗工藝技術(shù)相關(guān)的教學(xué)和科研工作。