超吸水靜電紡纖維氈的制備及性能研究*

魏發(fā)云 張 偉 李昱昊 潘建曄 張 瑜

1. 南通大學杏林學院，江蘇 南通226019；2. 南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019；3. 中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會，北京 100020

超吸水纖維具有優(yōu)良的吸水性、保水性和分離性，已廣泛應用于建筑混凝土、醫(yī)療衛(wèi)生、過濾分離等材料領域[1-3]；但是，超吸水纖維成形后脆性較大，因此其二次加工的能力較弱，如織造、成氈等難度較大，這使其應用受到一定的限制[4-5]。靜電紡絲工藝作為一種制備納米纖維的重要技術(shù)，在許多領域都有廣泛的應用，如所得納米纖維用作醫(yī)療衛(wèi)生材料、過濾材料和防護材料等[6-7]。通過靜電紡絲工藝可一次性將超吸水材料紡制成超吸水纖維氈，避免了超吸水纖維的二次加工，可直接應用于醫(yī)療衛(wèi)生材料等領域[8-9]。另外，由靜電紡絲工藝制備的超吸水纖維氈中的纖維直徑較小，故比表面積大，理論上具有更高的吸收速率和吸收效率[10]。

本文選用過硫酸鉀(KPS)為引發(fā)劑，通過自由基聚合將丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)共聚，然后加入戊二醛制成紡絲原液，接著采用靜電紡絲工藝制成纖維氈，并通過戊二醛熱交聯(lián)獲得超吸水靜電紡纖維氈；分析超吸水靜電紡纖維氈的纖維表面化學結(jié)構(gòu)，研究不同紡絲電壓、不同推進速度對超吸水靜電紡纖維氈的表面形貌及纖維直徑的影響，進而研究纖維直徑及其分布對超吸水靜電紡纖維氈的吸液性能和保水性能的影響，以期對超吸水靜電紡纖維氈的成形理論、性能研究及其加工工藝的改善提供有益的思考。

1 試驗部分

1.1 原料

AA，化學純，國藥集團；AM，化學純，國藥集團； KPS，分析純，國藥集團；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，國藥集團；戊二醛，質(zhì)量分數(shù)為25.0%，分析純，國藥集團；氯化鈉(NaCl)，分析純，國藥集團；去離子水，自制。

1.2 主要試驗儀器

試驗所用的主要儀器如表1所示。

表1 主要試驗儀器

1.3 超吸水靜電紡纖維氈的制備

首先將AA和一定量的去離子水混合，然后與適量的質(zhì)量分數(shù)為30.0%的NaOH發(fā)生中和反應生成丙烯酸鈉，接著在常溫下與AM混合均勻，再加入一定劑量的KPS作為引發(fā)劑，升溫至50 ℃左右，攪拌均勻。再將溶液升溫到55 ℃反應30 min，之后緩慢升溫至60 ℃反應60 min，然后升溫至65 ℃加熱攪拌120 min，直至反應結(jié)束。攪拌冷卻后，加入適量的交聯(lián)劑即戊二醛，攪拌10～15 min，形成紡絲原液。其中，AA、AM、NaOH三者的質(zhì)量比為2∶2∶1，KPS、戊二醛分別占AA與AM質(zhì)量總和的0.5%、1.0%。

試驗前期，分別制備了質(zhì)量分數(shù)為25.0%、30.0%、35.0%的三種紡絲原液。其中，質(zhì)量分數(shù)為25.0%的紡絲原液的黏度偏低，質(zhì)量分數(shù)為35.0%的紡絲原液的黏度偏高，兩者都不利于紡絲。因此，本試驗選用質(zhì)量分數(shù)為30.0%的紡絲原液用于靜電紡絲。

將配制好的質(zhì)量分數(shù)為30.0%的紡絲原液用于靜電紡絲，紡絲溫度固定為40 ℃，分別改變紡絲電壓(15、20、30 kV)和推進速度(10.0、12.5、15.0、17.5 μL/min)紡制纖維氈，然后在150 ℃下熱處理4 h使其充分交聯(lián)，制得超吸水靜電紡纖維氈。超吸水靜電紡纖維氈吸水前后的照片如圖1所示，可明顯看到：吸水前，超吸水靜電紡纖維氈為不透明的膜狀；吸水后超吸水靜電紡纖維氈呈凝膠膜狀但未溶解，這說明交聯(lián)反應很成功。

圖1 超吸水靜電紡纖維氈吸水前后的照片

1.4 結(jié)構(gòu)與性能測試

1.4.1 表面化學結(jié)構(gòu)

采用Nicolet iS10傅里葉紅外光譜儀分析超吸水靜電紡纖維氈的表面化學結(jié)構(gòu)，掃描光譜范圍為4 000.0～400.0 cm-1，分辨率優(yōu)于0.4 cm-1，掃描16次。

1.4.2 表面形貌及纖維直徑

采用KYKY-2800B掃描電鏡于20 kV下觀察經(jīng)過噴金處理的超吸水靜電紡纖維氈的表面形貌，并測量其纖維直徑，結(jié)果取平均值。

1.4.3 吸液性能

剪取3 cm×3 cm的超吸水靜電紡纖維氈作為試樣，稱得其初始質(zhì)量為W1(g)；然后將試樣浸泡在去離子水或質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液中，20 min后用濾網(wǎng)將試樣撈出，稱得其吸液后質(zhì)量為W2(g)；最后按式(1)計算試樣的吸液倍率(Q)[11]：

(1)

1.4.4 保水性能

剪取3塊3 cm×3 cm的超吸水靜電紡纖維氈作為試樣，待其吸水至飽和后稱得其質(zhì)量m1(g)；接著將吸水飽和的試樣分別放置在30 、40、50 ℃的恒溫烘箱中24 h，每隔4 h取出稱得其質(zhì)量m2(g)；最后，按式(2)計算試樣的保水率(K)：

(2)

每種試樣測5次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面化學結(jié)構(gòu)

圖2 超吸水靜電紡纖維氈的紅外光譜及結(jié)構(gòu)式

2.2 表面形貌及纖維直徑

在靜電紡絲過程中，紡絲電壓和推進速度對纖維成形的影響較大。本試驗選用3種紡絲電壓(15、20、30 kV)進行靜電紡絲，每種紡絲電壓下又采用4種推進速度(10.0、12.5、15.0、17.5 μL/min)，制備的超吸水靜電紡纖維氈的表面形貌如圖3所示。

圖3 超吸水靜電紡纖維氈的表面形貌(放大2 000倍)

從圖3可以看出：

(1) 20 kV的紡絲電壓對紡絲原液的牽伸成纖作用較好，纖維直徑較均勻，這與紡絲原液表面受力均衡，形成的Taylor錐穩(wěn)定有關。

(2)在紡絲電壓為15 kV的條件下，推進速度較低(10.0 μL/min)時，制備的超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑粗細不勻，且發(fā)生了并絲和黏連現(xiàn)象[圖3(a)]。隨著推進速度的增大，纖維可紡性得到改善。

(3) 在紡絲電壓為25 kV的條件下，紡絲過程中出現(xiàn)一定的電噴現(xiàn)象[圖3(k)]，纖維直徑明顯不勻，甚至發(fā)生膜化現(xiàn)象[圖3(l)]。隨著紡絲電壓的增大，靜電場力對射流的牽伸作用增大，射流纏結(jié)在一起，導致纖維并絲嚴重，直徑變大。

通常情況下，纖維氈的纖維直徑越小且均勻，其吸水性能越好。不同紡絲電壓、不同推進速度下制備的超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑如圖4所示。

圖4 不同紡絲電壓、不同推進速度下超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑

從圖4可以看出：

(1) 推進速度較低時(10.0、12.5 μL/min)，3種紡絲電壓下制備的超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑都較小(1.1～1.7 μm)。

(2) 隨著推進速度增加到15.0 μL/min，紡絲電壓為15 kV時，超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑明顯增大，其較推進速度為12.5 μL/min時增大了30%以上；紡絲電壓為20 kV時，超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑仍較小(約1.2 μm)；當紡絲電壓為25 kV時，紡絲過程中出現(xiàn)電噴現(xiàn)象，纖維發(fā)生并絲，纖維直徑大幅增大。

(3) 當推進速度提高至17.5 μL/min時，在15和20 kV的紡絲電壓下制備的超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑明顯增大，但在25 kV的紡絲電壓下，纖維成纖性明顯變差，呈現(xiàn)膜化現(xiàn)象，且纖維數(shù)量變少。

基于上述分析可知，在紡絲電壓為20 kV及推進速度為10.0、12.5、15.0 μL/min的條件下，纖維可紡性較好，紡絲過程順利，制備的超吸水靜電紡纖維氈的纖維直徑約1.2 μm且分布較為均勻。

2.3 吸液性能

圖5所示為不同紡絲電壓、不同推進速度下制備的超吸水靜電紡纖維氈對去離子水的吸液倍率。一般而言，纖維直徑越小，水分子沿纖維徑向的滲透阻力越低，吸液倍率越高。另外，纖維間的空隙越大，則纖維吸水后膨脹的空間受限越小，吸液倍率越高。

圖5 超吸水靜電紡纖維氈對去離子水的吸液倍率

結(jié)合圖4、圖5可以看出：

(1) 在15 kV的紡絲電壓下，纖維直徑雖然較小，但部分極細的纖維可能因交聯(lián)不充分，在吸液過程中發(fā)生溶解，使得實際吸液量有所降低。

(2) 在紡絲電壓為20 kV、推進速率為10.0 μL/min的條件下，纖維直徑較小且分布均勻，故呈現(xiàn)出良好的吸液性能，吸液倍率最高達116。

(3) 在25 kV的紡絲電壓下，當推進速度為15.0 μL/min時，纖維膜化現(xiàn)象嚴重，并伴隨著電噴珠狀體黏附在纖維表面，此時纖維較粗，交聯(lián)不充分的聚(丙烯酸鈉-AM)分子間物理纏結(jié)程度較大，也難溶于水中，故而吸液倍率上升。這也是紡絲原液的吸液量高于超吸水靜電紡纖維氈的主要原因。

另外，吸水材料除了吸收去離子水外，對離子溶液的吸收能力也是主要的考核指標。本文選用質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液模擬生理鹽水，測試超吸水靜電紡纖維氈的吸液性能，結(jié)果如圖6所示。此外，本文采用NaOH中和AA，一方面可以限制AA的反應活性，防止其在聚合過程中發(fā)生重排交聯(lián)，不利于吸水溶脹；另一方面，NaOH與AA反應形成丙烯酸鈉，這樣超吸水靜電紡纖維氈吸水后會形成COO-和Na+，且此時超吸水靜電紡纖維氈中的Na+離子濃度高于NaCl溶液中的離子濃度，所形成的滲透壓可有效提高超吸水靜電紡纖維氈吸收離子溶液的能力。

圖6 超吸水靜電紡纖維氈對質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液的吸液倍率

圖6中的數(shù)據(jù)表明：不同紡絲電壓、不同推進速度下紡制的超吸水靜電紡纖維氈，其吸收質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液的趨勢與吸收去離子水的趨勢基本一致，只是吸收倍率有所下降，但仍維持良好的吸液量。其中，20 kV紡絲電壓和10.0～15.0 μL/min推進速度下制備的超吸水靜電紡纖維氈，其吸收質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液的倍率最高達94。

2.4 保水性能

超吸水靜電紡纖維氈吸水后呈凝膠態(tài)，水分在凝膠內(nèi)具有結(jié)合水、束縛水、自由水三種形式，其中自由水受熱會蒸發(fā)散失。

本文選用吸液性能最好的20 kV、15.0 μL/min條件下制備的超吸水靜電紡纖維氈，讓其吸收去離子水至飽和，再放置于30、40、50 ℃的恒溫烘箱中保持24 h，每隔4 h測定其保水率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 超吸水靜電紡纖維氈(20 kV, 15.0 μL/min)在不同溫度下的保水性能

從圖7可以看出：超吸水靜電紡纖維氈在30 ℃的恒溫烘箱中，失水速度相對緩慢，24 h的保水率高于75%，這與纖維直徑很小、比表面積大有關；在40、50 ℃的恒溫烘箱中，超吸水靜電紡纖維氈24 h的保水率分別為49%和26%左右，因為溫度較高時纖維比表面積大會導致水分迅速散失，故保水性能下降。

3 結(jié)論

本文采用KPS為引發(fā)劑，通過將NaOH中和后的AA與AM發(fā)生自由基共聚，并加入戊二醛制得紡絲原液，靜電紡絲后于150 ℃下交聯(lián)4 h獲得超吸水靜電紡纖維氈：

(2) 紡絲電壓和推進速度共同影響著超吸水靜電紡纖維氈的表面形貌及纖維直徑，同時纖維直徑及其分布對超吸水靜電紡纖維氈的吸液量有較大影響。當紡絲電壓為20 kV、推進速度為15.0 μL/min時，纖維可紡性好且成纖均勻，所得超吸水靜電紡纖維氈對去離子水和質(zhì)量分數(shù)為0.9%的NaCl溶液的吸液倍率分別高達116和94，具有較強的吸液性能，且30 ℃下的保水性能較好，24 h的保水率達75%以上，但溫度升高時比表面積大會導致水分迅速散失，保水性能下降較快。