靜電紡絲中用滾筒輔助動態水接收裝置制備定向聚丙烯腈納米纖維

陳泉 周新 朱宇 李洪玲 彭寧 白續鐸

摘 要：采用滾筒輔助動態水接收裝置，用靜電紡絲法制備定向聚丙烯腈納米纖維。研究了滾筒轉速等因素對納米纖維定向性的影響，電子顯微鏡分析結果表明，在滾筒達到一定的轉速后，可以得到定向性極佳的聚丙烯腈納米纖維。

關鍵詞：靜電紡絲 聚丙烯腈 納米纖維 滾筒輔助 動態水 定向性

中圖分類號：TQ342.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

靜電紡絲方法由于其簡便性和有效性，是目前制備聚合物納米纖維的主要方法，已用于多種聚合物納米纖維的制備[1]。用靜電紡絲方法大量制備無序納米纖維即纖維氈或無紡布的技術已趨于成熟，但大量制備定向有序納米纖維仍面臨巨大挑戰。有序納米纖維有廣闊的應用領域，如微電子領域、光電領域等，并且人們希望得到定向排列的納米纖維束以增強其機械性能。人們對靜電紡絲方法制備定向有序納米纖維進行了卓有成效的研究，例如采用滾筒或轉盤接收裝置[2-3]，靜態或動態液體接受裝置等。采用滾筒作為接收納米纖維的方法是眾多定向收集方法中比較簡便易行的一種。采用這種收集方法，滾筒速度是一個重要參數，然而速度并不是任意選取的，速度過低時，滾筒的表面速度趕不上電紡過程中納米纖維伸直的速度，這樣勢必造成無序纖維的沉積；速度過高時，滾筒給納米纖維施加以很大的拉伸力，這樣往往導致納米纖維的斷裂。然而，無論怎么控制滾筒速度，總是會得到一部分無序的納米纖維。采用液體接收與傳統濕法紡絲有些類似。Smit等人[4]采用該法將聚丙腈等高聚物電紡到水中槽中，將其通過手工牽引到滾筒上，然后通過滾筒打捻收集。這種得到取向納米纖維捻的方法具有潛在應用價值。Teo等人[5]采用動態水接收電紡纖維，即使用了兩個上下放置的水槽，并在上面的水槽底部開一小孔（孔徑5 mm），通過該小孔產生水的漩渦，沉積在水面的纖維在漩渦的作用下，拉伸成捻，然后通過人工牽引最終收集再滾筒上。該方法由于采用了水流的作用因而定向作用明顯好于靜態法的定向作用。但是該裝置由于利用水漩渦的作用，因而小孔不能太大，這樣不利于大規模電紡。聚丙烯腈纖維是碳纖維的前驅體，聚丙烯腈纖維的直徑越細，碳纖維的性能越好，因此制備定向性聚丙烯腈納米纖維具有重要意義。該文采用滾筒輔助動態水接收裝置在靜電紡絲中連續定向制備聚丙烯腈納米纖維，這對規模生產具有巨大的潛在應用

價值。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品和實驗儀器

實驗室自制分子量約為40萬聚內烯腈（PAN），溶于DMF配置成紡絲液。紡絲用高壓靜電發生器：BGG，北京市機電研究院；場發射掃描電子顯微鏡：MX2600FE，Camscan。

1.2 紡絲裝置

靜電紡絲裝置主要由高壓靜電發生器、多孔噴頭、平穩水流和滾筒等組成，如圖1所示。

2 結果與討論

圖2為不同轉速下滾筒輔助動態水接收裝置電紡PAN納米纖維的數碼照片。由圖2（a）—（d）可以觀察到，在幾種轉速下，滾筒上所接收到的納米纖維均沿著滾筒的垂直方向取向，其定向性隨著轉速的增大而增大，尤其在（c）1000 r/min和（d）1250 r/min的納米纖維均出現了明顯的集中現象（黑箭頭所示），這種集中的形態反映了更高的定向。

圖1 滾筒輔助動態水接收裝置圖

圖2 不同轉速下滾筒輔助動態水接收裝置電紡PAN

納米纖維的數碼照片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；

c） 1000 r/min；d） 1250 r/min。

圖3為滾筒在不同轉速下的PAN納米纖維的電子顯微鏡照片。由圖可知，纖維在250 r/min的轉速下定向性最差，而在750 r/min、1000 r/min的轉速下定向性較好，在1250 r/min時定向性最好，這也與圖2的照片相吻合。這些結果表明，只有在較高的轉速下，才能得到很好的定向聚丙烯腈納米纖維。

圖3 不同轉速下滾筒輔助動態水接收裝置電紡PAN納米纖維的SEM圖片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；c） 1000 r/min；d）1250 r/min

3 結語

采用滾筒輔助動態水接收裝置進行多孔噴絲的靜電紡絲方法，在滾筒轉速達到1250 r/min可以得到定向性很好的聚丙烯腈納米纖維。該方法在定向聚丙烯腈納米纖維的規模生產上具有巨大的潛在應用價值。

參考文獻

[1] Huang Z.H.，Zhang Y.Z.，Kotaki M.，et al.，Composites Science and Technology，2003，63：2223.

[2] Katta P.，Alessandro M.，Ramsier R.D.，Nano Letters，2004，4：2215.

[3] 陳玉龍，陳泉，張文晶，等.靜電紡絲法制備高定向性聚丙烯睛納米纖維束[J].科技創新導報，2011（35）：92.

[4] Smit E.，Buttner U.，Sanderson R.D.，Polymer，2005，46：2419.

[5] Teo W.E.，Gopal R.，Ramaseshan R.，et al.Polymer，2007，48：3400.