爪形接收器參數對三維液噴紡絲尺寸的影響

楊燕明， 陳新度， 王 晗

(1.廣東工貿職業技術學院 電氣自動化系，廣州 510510；2.廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)

0 引 言

納米纖維是21世紀最有應用價值的功能材料之一[1]，而液噴紡絲法就是一種高效制備納米纖維的方法。液噴紡絲是釆用高壓高速氣流直接拉伸聚合物溶液制備微納米纖維的一種新型技術，它組合了傳統熔噴技術產業化生產微米纖維及當代靜電紡絲技術制備納米纖維的優勢[2-4]，克服了靜電紡絲制造效率低的缺點[4-10]，并且液噴紡絲技術對設備的要求較低，不需要高壓靜電裝置或是導電收集裝置，更具有工業化潛力。因此，發展液噴紡絲技術具有很強的現實意義并且已取得了一些研究成果[11-14]。本文自制了液噴紡絲裝置，通過改變接收器到噴頭的距離和接收器的接收爪直徑，利用掃描電子顯微鏡分析了制備所得的三維紡絲纖維與參數變化之間的關系。

1 實驗部分

1.1 主要材料

聚氧化乙烯(PEO)(阿拉丁試劑(上海)有限公司)；無水乙醇(天津市致遠化學試劑有限公司)；純凈水(華潤怡寶食品飲料(深圳)有限公司)。

1.2 主要設備及儀器

數顯測速恒溫磁力攪拌器(85-2A)(金壇市榮華儀器制造有限公司)；微量注射泵(wz-50C6)(浙江史密斯醫學儀器有限公司)；噴金裝置(GSL-2200X-SPC-12)(美國MTI公司)。掃描電子顯微鏡(SEM)(3030)(日本HITACHI公司)。

自制液噴紡絲裝置如圖1所示，其運行過程為：配置好的溶液通過微量注射泵被擠壓至噴頭，并在高壓氣流的作用下噴射而出，然后由高速旋轉的爪形接收器接收形成紡絲纖維膜。

圖1 自制液噴紡絲裝置示意圖

1.3 樣品制備

以1∶1比例的無水乙醇和純凈水為溶劑，制備質量分數為5% PEO紡絲液。將混合紡絲液通過磁攪拌12 h使其充分溶解，靜置，直到溶液中的氣泡完全排出。設定氣壓泵壓力為0.05 MPa，溶液進給速度為0.5 μL/s，爪形接收器轉速為1 500 r/min，分別改變噴頭到爪形接收器的距離以及接收爪直徑，收集相應的纖維膜，之后對樣品進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其形貌，并借助專業圖像分析軟件Image Pro Plus 6.0測量SEM圖片中清晰可見的紡絲纖維直徑，測得的數據利用Origin制圖軟件進行分析繪圖。

2 結果與討論

圖2所示為紡絲完成后爪形接收器所收集的樣品。樣品經過噴金處理后的宏觀形貌如圖3所示。

圖2 爪形接收器收集的紡絲樣品圖3 經噴金處理后樣品的宏觀形貌

2.1 接收距離對PEO紡絲纖維尺寸的影響

設置爪形接收器接收爪直徑為10cm，改變接收距離以探究其對PEO紡絲纖維尺寸與分布的影響。爪形接收器接收距離分別為10、20、30、40、50 cm時，制備出的PEO纖維膜的SEM照片及其紡絲纖維直徑分布比例如圖4所示。從圖中可以看出，纖維形貌完好，只有個別纖維可能由于環境潮濕導致黏連。當爪形接收器接收距離為10 cm時，從圖中可以看出，制得的紡絲纖維直徑主要分布在1.7～1.9 μm；當接收距離增大至20 cm時，紡絲纖維直徑相應有所減小，主要分布在1.7～1.8 μm，這可能是因為在一定接收距離范圍內，接收距離越大，PEO液滴就會變得越細小，接收到的紡絲纖維就會變得越細；當接收距離為30 cm時，得到的紡絲纖維更細，其直徑主要分布在1.6～1.7 μm；當接收距離為40 cm時，所得紡絲纖維直徑主要分布在1.5～1.6 μm；當接收距離繼續增大至50 cm，所得紡絲纖維直徑主要分布在1.4～1.6 μm。

圖5為爪形接收器接收距離不同時制得的PEO紡絲纖維的直徑均值。從圖中可以看出，隨著爪形接收器接收距離由10 cm逐漸增大至50 cm過程中，所得紡絲纖維的直徑均值在開始時逐漸減小，但在接收距離為40 cm和50 cm時，所得紡絲纖維的直徑均值趨于穩定，這可能是因為在接收距離超過一定范圍時，氣壓對PEO液滴的拉伸作用已經影響不大。

2.2 接收爪直徑對PEO紡絲纖維尺寸的影響

設置爪形接收器接收距離為40 cm，改變接收爪直徑以探究其對PEO紡絲纖維尺寸與分布的影響。爪形接收器接收爪直徑分別為8、10、12、14、16 cm時，制備出的PEO纖維膜的SEM照片及其紡絲纖維直徑分布比例如圖6所示。從圖中可以看出，當接收爪直徑為8 cm時，制得的紡絲纖維直徑主要分布在1.6～1.7 μm之間；當接收爪直徑增大至10 cm，紡絲纖維直徑相應有所減小，主要分布在1.5～1.6 μm之間；當接收爪直徑為12 cm時，得到的紡絲纖維更細，其直徑主要分布在1.4～1.5 μm之間；當接收爪直徑為14 cm時，所得紡絲纖維直徑的分布范圍相對較廣，在0.6～1.4 μm相對均勻分布，這可能是因為隨著接收爪直徑逐漸增大，其中心位置和外圈位置的線速度差別也隨之增大，最終導致制得的紡絲纖維直徑大小相差增大，分布范圍相對較廣；當接收爪直徑繼續增大至16 cm時，所得紡絲纖維直徑的分布范圍依然相對較廣，在0.7～1.2 μm相對均勻分布。從圖6 (d)、(e)的SEM圖中同樣可以看出，當接收爪直徑分別為14 cm和16 cm時所制得的紡絲纖維直徑相對較細。

圖4 接收距離不同時,所得PEO纖維膜的顯微形貌及其紡絲纖維直徑分布比例

圖5 接收距離不同時制得的PEO紡絲纖維直徑均值

圖6 接收爪直徑不同時,所得PEO纖維膜的顯微形貌及其紡絲纖維直徑分布比例

圖7為爪形接收器接收爪直徑不同時制得的PEO紡絲纖維的直徑均值。從圖中可以看出，隨著接收爪直徑由8 cm逐漸增大至14 cm時，所得紡絲纖維的直徑均值逐漸減小，這可能是由于隨著接收爪直徑的增大，PEO液滴在紡絲時被拉伸得更長，從而導致紡絲纖維直徑減小；當接收爪直徑由14 cm增大至16 cm時，所得紡絲纖維的直徑均值趨于穩定，這可能是由于在接收爪直徑為14 cm和16 cm時，爪形接收器張開的程度都已經接近平直，故得到紡絲纖維直徑相差并不大。

圖7 接收爪直徑不同時制得的PEO紡絲纖維直徑均值

3 結 語

通過液噴紡絲制備PEO纖維膜，借助SEM等探討爪形接收器接收距離及接收爪直徑對PEO紡絲纖維直徑均值及其尺寸分布的影響，結果表明：

(1) 在一定接收距離范圍內，隨著接收距離的增大，所制得的PEO紡絲纖維直徑均值逐漸減小，但當接收距離超過一定范圍時，直徑均值趨于平穩。不同接收距離所制得的PEO紡絲纖維的尺寸分布都較集中。

(2) 隨著接收爪直徑的增大，所制得的PEO紡絲纖維直徑均值逐漸減小并最終趨于平穩。不同接收直徑所制得的PEO紡絲纖維的尺寸分布在開始時較集中，但當接收直徑增大到一定值時，尺寸分布范圍相對較廣。研究結果可為實際應用中尋找最佳工藝提供參考。

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