高壓噴氣霧化靜電紡制備聚丙烯腈納米纖維

張明軍，王利丹，余志才，何建新

(中原工學院紡織學院，鄭州 450007)

高壓噴氣霧化靜電紡制備聚丙烯腈納米纖維

張明軍，王利丹，余志才，何建新

(中原工學院紡織學院，鄭州 450007)

提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲制備納米纖維的方法。通過電場力和氣流力的雙重作用原理制備了聚丙烯腈(PAN)納米纖維，分析了紡絲液濃度、紡絲電壓、氣壓和接收距離等紡絲的主要工藝參數(shù)對成形的PAN纖維的形態(tài)和直徑的影響。結果表明：紡絲液濃度、紡絲電壓、氣流壓力和接收距離等工藝條件對纖維的形態(tài)和直徑有明顯的影響。當紡絲液的質量分數(shù)為11%，紡絲電壓為30kV，氣流壓力為0.8MPa，紡絲距離為40cm時，成形纖維的直徑較細且均勻。

高壓噴氣；納米纖維；直徑；靜電紡絲

0 引 言

靜電紡納米纖維具有超細的尺度、極高的比表面積，以及獨特的網(wǎng)狀結構和孔隙等卓越性能，在紡織服裝、組織支架、電子器件、過濾材料、醫(yī)療與衛(wèi)生健康等領域具有十分廣闊的應用前景[1-3]。近些年，一些研究者將氣流運用到靜電紡絲制備納米纖維的過程中[4]。Yao等[5]在原有靜電紡裝置的基礎上，增加氣路系統(tǒng)，應用靜電力和氣流力與聚合物射流之間摩擦力的合力對射流進行拉伸，得到均勻的聚砜納米纖維。Tudorel等[6]設計了一種氣流旋轉輔助的靜電紡絲法，通過壓縮空氣在噴口周圍產(chǎn)生旋轉氣流來獲取具有一定取向的納米纖維，纖維直徑在100～700nm之間。在這些研究中，氣流的主要作用在于輔助牽伸獲得更細的納米纖維或使納米纖維平行取向。然而，這些方法中參數(shù)不易調節(jié)和控制，并且操作不便，同時產(chǎn)量也有限。

本文提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲制備納米纖維的新方法，采用低濃低黏的紡絲溶液，在噴口處經(jīng)一層700目濾網(wǎng)的切割變成微米級的小液滴，這些小液滴經(jīng)高速氣流的粉碎霧化變成更加微小的液滴，然后在電場力和氣流力的雙重作用下使微液滴拉伸成納米纖維，該方法可以使液滴二次粉碎，同時參數(shù)調節(jié)方便，得到的纖維直徑更細且均勻。

1 實 驗

1.1 材料

聚丙烯晴粉末(PAN)，相對分子質量1500000。N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，相對分子質量73.09，購于國藥集團。

1.2 紡絲液的配制

稱取一定量的PAN置于DMF溶劑中，水浴攪拌使其溶解配成質量分數(shù)為9%的紡絲溶液，溫度為80℃，時間為4h。

1.3 高壓噴氣靜電紡實驗裝置

高壓噴氣靜電紡絲裝置如圖1所示，裝置中包括接收板、高壓發(fā)生器、噴槍、氣泵、供液裝置(由儲液罐和蠕動泵組成)。其中噴槍和接收板分別與高壓發(fā)生器的正負極相連。儲液罐中的紡絲液在蠕動泵的作用下進入噴槍，噴槍的出口處裝有700目的濾網(wǎng)(孔徑約25μm)，紡絲液經(jīng)濾網(wǎng)被分割成許多小液滴。小液滴經(jīng)高壓氣流作用粉碎霧化成微液滴進入電場，靠靜電力的拉伸形成納米纖維，在接收板上成納米纖維網(wǎng)。紡絲工藝參數(shù)主要有紡絲液濃度、紡絲電壓和接收距離。

1.4 流場的模擬

運用流場軟件Fluent模擬氣流從噴嘴噴出后的運動狀態(tài)，如圖2所示。將紡絲噴頭簡化為壁厚0.001m，高為0.05m，底面直徑分別為0.07m和0.05m的兩個相嵌的空心圓柱體，氣流的運動空間為一長方體，長0.8m、寬0.6m、高0.6m。氣體進口處的總壓分別為0.8、0.6、0.4MPa，靜壓為1.01×105Pa，出口處壓強為1.01×105Pa。噴嘴內部氣體流動屬湍流，流場模擬采用標準k-ε湍流模型，長方體的面為滑動壁。

圖1 高壓噴氣霧化靜電紡裝置

1.5 纖維的直徑分析

將納米纖維噴金處理，掃描電鏡觀察纖維形貌，并隨機抽取30根纖維，用圖形處理軟件統(tǒng)計纖維的平均直徑。

圖2 高壓噴氣流場軟件模擬

2 結果與討論

2.1 納米纖維的成形機理

實驗中，紡絲溶液先在噴口處經(jīng)濾網(wǎng)切割變成20μm左右的微米級小液滴，然后在高壓氣流的粉碎作用下霧化成更加細小的微液滴。不同接收距離下的產(chǎn)物如圖3所示，在離噴口3cm處產(chǎn)物為直徑在5μm左右的圓形或橢球形的液滴，在5cm處為兩端帶有尾巴的紡錘體，隨著距離的進一步增大，紡錘體逐漸消失形成纖維。紡絲成形過程中液滴受到空氣的摩擦作用，溶劑揮發(fā)凝固，在電場力和氣流力的雙重牽伸作用下，中間橢球體逐漸被抽長拉細，最終形成固化后的納米纖維，如圖3所示。

圖3 成形機理

2.2 紡絲電壓對成形纖維形態(tài)的影響

靜電紡過程中，電壓是影響纖維直徑的一個非常重要的參數(shù)。隨著電壓的升高，電場強度變大，液滴受到的電場力較大，有利于液滴牽伸細化，適當?shù)纳唠妷海梢越档屠w維的直徑，提高纖維的均勻度。隨著電壓的持續(xù)升高，液滴受到的電場力過大，使液滴在電場中的拉伸時間變短，會導致液滴拉伸不夠充分，直徑又逐漸變大，不勻率升高。

圖4 紡絲電壓與纖維直徑的關系

圖4為纖維直徑與紡絲電壓之間的關系。當外加電壓達到20kV時，有少量細流噴出，并且纖維很粗；增加電壓至25kV時，有較多的纖維噴出，納米纖維直徑明顯小了很多；當電壓達到30kV時，噴出纖維較細且均勻；繼續(xù)增加電壓到35kV時，纖維變粗，纖維量減少。實驗發(fā)現(xiàn)，當電壓為30kV時，所得纖維粗細比較較均勻。

2.3 紡絲氣壓對成形纖維形態(tài)的影響

氣壓對纖維直徑的影響主要是根據(jù)流場的分布特點，處于流場邊緣和流場中心位置的紡絲溶液受到的氣流作用大小不同，霧化形成的液滴大小不勻，從而最終形成的纖維會出現(xiàn)粗細不勻的現(xiàn)象。

圖5為不同氣壓下纖維的電鏡圖。從整體看來，纖維表面比較光滑圓潤，成形良好。當氣壓較低時，纖維的直徑分布較廣，大多數(shù)纖維的直徑較大，并且部分纖維之間出現(xiàn)粘連。隨著氣壓的增大，纖維的直徑逐漸降低，且分布趨向均勻。當氣壓增大到0.8MPa時，雖然有少數(shù)較粗但大部分纖維的直徑較細。考慮設備成本等因素，可認為當氣壓增大到0.8MPa時已經(jīng)能夠滿足紡絲要求。

圖5 不同紡絲氣壓下纖維的電鏡照片

2.4 紡絲液濃度對成形纖維直徑的影響

紡絲液濃度也是影響纖維直徑的一個重要的參數(shù)。隨著紡絲溶液濃度的增加，紡絲液中大分子之間的作用力增加，紡絲液的黏度變大，在電場力不變的情況下，液滴在電場中不易被牽伸，纖維直徑會顯著增加，當濃度太大時，黏度較大，堵塞噴絲口，影響實驗繼續(xù)進行。

圖6 紡絲溶液濃度與纖維直徑的關系

圖6為紡絲液濃度與纖維直徑的關系。當濃度為9%時，有少量的納米纖維生成，直徑很細；當溶液濃度達到11%時，納米纖維的直徑較細，且均勻；當溶液濃度為13%時，納米纖維的直徑變粗，不均勻；當溶液濃度為15%時，纖維直徑更粗，且這個時候需要很大的電壓才能噴出納米纖維。綜合考慮，當紡絲液濃度為11%時適合紡絲。

2.5 紡絲接收距離對成形纖維直徑的影響

紡絲距離也可以影響纖維成形，其他條件不變的情況下，在一定距離范圍內，隨著紡絲距離的變大，纖維直徑逐漸變細。由于液滴在電場中被拉伸的距離變大，拉伸的時間變長，有利于纖維的細化。當接收距離增大到一定距離后，液滴不再被拉伸，納米纖維已經(jīng)固化成形，直徑變化不明顯。

從圖7中可以看出，當接收距離為35 cm纖維的直徑較粗，纖維拉伸不夠，當接收距離為40cm時纖維直徑較細，當接收距離為45cm時，纖維的直徑下降不明顯，當接收距離為50cm時，纖維直徑很細，但大部分纖維都沒有落到接收屏上。因此，紡絲距離以40cm左右為宜。

圖7 接收距離與納米纖維直徑的關系

3 結 論

本文提出了一種高壓噴氣霧化靜電紡絲的新裝置，通過對各參數(shù)條件下所紡納米纖維直徑的統(tǒng)計分析，得出高壓噴氣靜電紡絲最佳條件：紡絲液濃度為11%，紡絲電壓為30kV，氣流壓力為0.8MPa，紡絲距離為40cm。該方法為納米纖維的規(guī)模化制備提供了一種新的途徑。

[1] 劉輔庭.靜電紡絲納米纖維研究的最新動向[J].非織造布，2010(6):27-30.

[2] 鐘智麗,王訓該.納米纖維的應用前景[J].紡織學報,2006,27(1):107-110.

[3] 羅益鋒.納米纖維及其對未來世界的影響[J].高科技纖維與應用,2004,29(2):1-6

[4] 劉 雍.氣泡靜電紡技術及其機理研究[D].上海:東華大學,2008.

[5] Yao Y Y, Zhu P X, Wu D D, et al. Polysulfone nanofibers prepared by electrospinning and gas/jet-electrospinning[J]. Acta Polymerica Sinica, 2005(5): 687-692.

[6] Tudorel B M, Leonard I, Iulia B M. Morphological aspects of polymer fiber mats obtained by air flow rotary-jet spinning[J]. Fibers and Polymers, 2013(9): 1526-1534.

(責任編輯：陳和榜)

Preparation of Polyacrylonitrile Nanofiber by High-Pressure Air-Jet Atomized Electrospinning

ZHANGMingjun,WANGLidan,YUZhicai,HEJianxin

(School of Textile, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007,China)

A method of preparing nanofiber through high-pressure air-jet atomized electrospinning was introduced. PAN nanofiber was prepared under the double effect of electric field force and air flow force. The effects of main technological parameters for spinning such as spinning solution concentration, spinning voltage, air pressure and reception distance on the morphology and diameter of formed PAN nanofiber were studied. The results show that spinning solution concentration, spinning voltage, air pressure and reception distance have obvious influences on the morphology and diameter of fiber. The diameter of the formed fiber is think and even under such technological praemters: mass percent of spinning solution 11%, spinning voltage: 30kV, air flow pressure 0.8 MPa and spinning distance 40cm.

high pressure air-jet； nanofiber； diameter； electrostatic spinning

2014-06-26

河南省基礎與前沿研究計劃項目(122300410242)

張明軍(1986-)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要從事紡織材料與紡織品設計方面的研究。

TQ340.6

A

1009-265X(2015)01-0009-04