靜電場中PVA/PA6復(fù)合納米纖維的成型性研究

魏安方，王生明

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

本研究采用靜電紡絲的方法將PVA與PA6復(fù)合，制備出了PVA/PA6復(fù)合納米纖維材料，對紡絲工藝參數(shù)如溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲電壓、紡絲流量及接收距離進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期制備出直徑分布均勻、少珠串結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維材料.

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

聚乙烯醇(PVA1799)，數(shù)均相對分子質(zhì)量為170 000～220 000；尼龍6(PA6)，數(shù)均相對分子質(zhì)量為15 000～20 000.

試劑為甲酸(密度為1.23 g/mL3).

設(shè)備為靜電紡絲機(JUES-1)，無錫中恒科技有限公司生產(chǎn)；掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800).

1.2 復(fù)合納米纖維的制備

按1∶1的質(zhì)量比，將稱量好的PVA與PA6固體粉末置于甲酸溶劑中，分別配制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、8%與12%的溶液，然后用電磁攪拌器攪拌3～4 h，使其充分溶解，制成均勻的紡絲溶液.

用注射器吸取上述10 mL的紡絲溶液，置于靜電紡絲機上，設(shè)置電壓、流量與接收距離等工藝參數(shù)，進(jìn)行電紡.

1.3 形貌觀察與分析

將鋁箔上收集到的纖維網(wǎng)取下，剪成細(xì)小塊狀，噴金40 s后置于掃描電子顯微鏡中觀測，并運用Image J軟件測算出纖維的直徑分布.

2 不同條件下復(fù)合納米纖維的成型性

2.1 電紡不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVA/PA6

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA6/PVA電紡后的電鏡圖如圖1所示，當(dāng)PA6/PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，制備的纖維直徑較細(xì)且出現(xiàn)很多斷頭，纖維之間存在大量的珠狀物，纖維的成型性不好； 當(dāng)混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到8%時，纖維的直徑變粗，很少出現(xiàn)斷頭和珠狀物，但纖維之間存在粘連；當(dāng)混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到12%時，纖維直徑進(jìn)一步變粗，形貌清晰且無珠狀物，其成型性得到較大改善.這主要是因為靜電紡絲是利用外加電場的作用使聚合物溶液表面分子克服表面張力形成噴射細(xì)流，并以高速無規(guī)則的螺旋運動沉積在接收裝置而形成超細(xì)纖維膜的.在紡絲過程中，高分子聚合物溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是最重要的參數(shù)之一[3].聚合物溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，只會形成液滴而不是連續(xù)的纖維；隨著聚合物溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，溶液的黏度越大，聚合物分子鏈間的纏結(jié)作用越大，成型越容易，噴射細(xì)流被電場力拉伸變細(xì)的能力相應(yīng)減弱，使得纖維的直徑相對增大.

(a) 6%(×20 000) (b)8%(×20 000) (c)12%(×20 000)

2.2 不同紡絲電壓下電紡PVA/PA6

由圖2可知，當(dāng)紡絲電壓為16 kV時，纖維直徑較粗且出現(xiàn)珠狀物；當(dāng)紡絲電壓為18 kV時，纖維直徑變細(xì)，珠狀物變少；當(dāng)紡絲電壓進(jìn)一步加大到20 kV時，纖維直徑進(jìn)一步變細(xì)，珠狀物幾乎消失.

(a) 16 kV (×20 000) (b)18 kV (×20 000) (c)20 kV (×20 000)

運用Image J軟件對上述電鏡圖片進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增大，收集到的纖維平均直徑由81.6 nm減少到了75.2 nm，最后降至63.0 nm.這是因為聚合物液滴是在電場力的作用下被拉伸成超細(xì)纖維的，故電場力是纖維直徑大小的主要因素之一[4].纖維的直徑取決于聚合物溶液在電場力的作用下生成細(xì)流的程度，拉伸的細(xì)流直徑越小，最終生成的纖維直徑越細(xì).當(dāng)外加電壓較小時，生成的靜電紡纖維相互粘連，有珠狀缺陷.隨著電壓的增大，聚合物溶液的噴射細(xì)流具有更大的表面電荷密度，靜電斥力較大，射流獲得更大的加速度的同時給纖維提供了更大的拉伸應(yīng)力，從而有利于制得更細(xì)的纖維.

2.3 不同噴絲流量下電紡PVA/PA6

由圖3可知，當(dāng)噴絲流量為0.1 mL/h時，運用軟件對電鏡圖片進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)制備的纖維直徑較粗，平均直徑為102.1 nm且出現(xiàn)大量的珠狀物；當(dāng)噴絲流量為0.2 mL/h時，制備的纖維直徑變細(xì)，平均值為89.4 nm且珠狀物減少；當(dāng)噴絲流量增加到0.3 mL/h時，制備的纖維直徑進(jìn)一步變細(xì)，平均值達(dá)到72.5 nm，珠狀物幾乎消失.這是因為噴絲流量的增加使單位細(xì)流上獲得的加速度越大，有利于細(xì)流的拉伸變細(xì)[5].如果獲得的加速度不夠大，珠狀物就較多.

(a) 0.1 mL/h (×2 000) (b) 0.2 mL/h (×10 000) (c) 0.3 mL/h(×10 000)

2.4 不同接收距離下電紡PVA/PA6

由圖4可知，在100～140 mm的接收距離范圍內(nèi)，隨著接收距離的增大，纖維直徑變粗且易形成珠狀物；當(dāng)接收距離為100 mm時，纖維平均直徑為116.7 nm，少珠狀物；當(dāng)接收距離為120 mm時，纖維平均直徑為128.2 nm，出現(xiàn)較多的珠狀物；當(dāng)接收距離為140 mm時，纖維平均直徑為140.5 nm，出現(xiàn)大量珠狀物.這是因為電場強度和電場力是隨著接收距離的增加而減少的，如接收距離變大，則電場強度和電場力變小，如果其不足以克服液滴的表面張力，液滴沒有被完全拉伸拉細(xì)，纖維直徑就會變粗且容易形成珠狀物.

(a) 100 mm(×10 000) (b)120 mm(×10 000) (c) 140 mm(×10 000)

3 結(jié)論

研究了靜電場中溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、紡絲電壓、噴絲流量以及接收距離對復(fù)合納米纖維成型性的影響，得出如下結(jié)論：隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維的形貌變好，直徑變粗；隨著紡絲電壓和噴絲流量的增加，纖維的平均直徑變細(xì)，珠狀物逐漸減少；隨著接收距離的增加，纖維的平均直徑變粗，珠狀物增多.對PVA/PA6復(fù)合納米纖維成型性影響因素的研究，為制備出形態(tài)良好、結(jié)構(gòu)完整、性能優(yōu)越的超細(xì)纖維復(fù)合材料打下了堅實的基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)：

[1]劉忠科,雍奎剛.熱處理對聚乙烯醇薄膜性能的影響[J].塑料科技,2007,35(6):56-59.

[2]Yeh J T, Xu P, Tsai F C, et al. Blending properties of poly(vinyl alcohol) and nylon6-clay nanocomposite blends[J]. J Mater Sci,2007(42):6590-6599.

[3]Darrell H，Reneke,Alexander L，et al. Electrospinning jets and polymer nanofibers[J].Polymer,2008(49):2387-2425.

[4]Fong H,Chun I,Reneker D H. Beaded nanofibers formed during electrospinning[J].Polymer,1999(40):4585-4592.

[5]徐明,潘志娟.靜電紡絲及其在納米級絲素纖維制品開發(fā)上的應(yīng)用[J].蘇州大學(xué)學(xué)報：工科版,2004,24(4):38-42.