靜電紡絲PET膜結(jié)晶性能研究

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(1.婁底市一中，湖南 婁底 417000；2.湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000)

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是目前聚酯材料中使用量最大、商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最廣泛的工程塑料之一[1],多年來人們對聚酯的結(jié)晶性能進(jìn)行了大量研究，以克服其結(jié)晶性能差的缺點(diǎn)[2-4]。近年來靜電紡絲技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，且通過靜電紡絲技術(shù)制備了眾多性能卓越的復(fù)合纖維材料[5-7]。本文通過靜電紡絲技術(shù)制備了PET靜電紡絲膜，并對其結(jié)晶性能進(jìn)行了研究。

1 驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PET，瓶級(jí)切片，海南逸盛石化有限公司；三氟乙酸，分析純，成都聯(lián)禾化工醫(yī)藥有限責(zé)任公司；二氯甲烷，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

靜電紡絲機(jī)，NF-500，上海富馬科技有限公司；X射線衍射儀，Y-2000，丹東奧龍射線儀器集團(tuán)有限公司；電子分析天平，GL224-1SCN，常州市宏衡電子儀器廠；恒溫干燥箱，DHG-9070A，上海善志儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

稱取不同重量的PET顆粒，用三氟乙酸/二氯甲烷(v=1∶9)混合溶液攪拌溶解[8]，配置成不同濃度的紡絲液。將不同濃度的紡絲液通過靜電紡絲制備PET紡絲膜。收集薄膜，裁成一定尺寸，并用砝碼壓平。將壓平的薄膜放入恒溫干燥箱，在150℃，170℃，190℃的溫度下，加熱30min，3h，6h，對PET紡絲膜進(jìn)行退火處理[9]。

1.4 性能測試

將靜電紡絲退火PET膜用膠帶粘在玻璃基片上，置于XRD樣品室，設(shè)置衍射角度為10～40°、運(yùn)行電壓為30kV、運(yùn)行電流為20mA，進(jìn)行XRD測試。

靜電紡絲退火PET膜中晶相與非晶相的不同體積比與其XRD譜圖中的衍射峰的積分強(qiáng)度的比例有關(guān)，利用Jade軟件對整個(gè)圖擬合出所有非結(jié)晶峰的強(qiáng)度，然后手工擬合出結(jié)晶峰的的強(qiáng)度[10]。譜圖中的曲線所反應(yīng)的結(jié)晶度可以通過下方所列的公式求出。

在上式中，系數(shù)K為結(jié)晶度計(jì)算公式的校正系數(shù)，為一個(gè)常數(shù)。Ia和Ic各自表示的是在X射線衍射的起止角度范圍中非晶相和晶相的衍射積分強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲液濃度對PET靜電紡絲膜結(jié)晶性能影響

在紡絲液的配備過程中，控制紡絲液的溶液濃度不要過高或過低[11]。如果紡絲液濃度太高，流體的黏度增加，注射器難以推進(jìn)紡絲；如果紡絲液濃度太低，則很難收集到PET膜。紡絲過程如表1所示，所得的PET膜的結(jié)晶性能如圖1所示，紡絲液濃度越高，所得的PET膜的結(jié)晶程度越高。

表1 紡絲液濃度對靜電紡絲的影響Table 1 Effect of spinning concentration on the PET film

圖1 紡絲液濃度對PET膜結(jié)晶性能的影響

Fig.1 Effect of spinning concentration on the crystallization performance of PET film

2.2 紡絲電壓對PET膜結(jié)晶性能的影響

圖2為不同的紡絲電壓條件下的PET膜的XRD譜圖。從圖中可以看出，不同的紡絲電壓，靜電紡絲PET膜的衍射強(qiáng)度不同[12]，且紡絲電壓越高，XRD的衍射強(qiáng)度越強(qiáng)，這可能是紡絲過程中電場增大，紡絲液液滴所受到的張力越大，形成噴射流的過程當(dāng)中，PET纖維受到更強(qiáng)的電場拉伸能，有利于PET的結(jié)晶。通過計(jì)算，紡絲電壓為16kV時(shí)，PET紡絲膜結(jié)晶度為20.13%，25kV時(shí)，結(jié)晶度為22.35%，35kV時(shí)，結(jié)晶度為25.02%，PET紡絲膜的結(jié)晶度隨紡絲電壓逐漸增大。

圖2 紡絲電壓對PET膜結(jié)晶性能的影響

Fig.2 Effect of spinning voltage on the crystallization performance of PET film

2.3 接收板距離對PET膜結(jié)晶性能的影響

在圖2中可以看出接收板距離為10cm時(shí)，PET紡絲膜獲的XRD衍射峰強(qiáng)度比30cm的要強(qiáng)。同樣的紡絲電壓，接收板距離越遠(yuǎn)，單位距離的電場強(qiáng)度越低，電場牽引力越小，纖維的直徑也變大，PET膜結(jié)晶性能也降低，同時(shí)紡絲液噴射的范圍也越遠(yuǎn)，纖維量收集較之前相比變少。

2.4 退火條件對PET膜結(jié)晶性能的影響

如圖3所示X衍射譜圖中可以看出，隨著退火溫度的升高，PET膜X衍射峰的強(qiáng)度逐漸提高，在190℃的時(shí)候結(jié)晶強(qiáng)度最高。這是因?yàn)樵谕嘶饻囟戎饾u升高的過程中，PET薄膜內(nèi)還存在一些不太規(guī)則的分子鏈可以繼續(xù)結(jié)晶，而且隨著溫度的提高，無定型區(qū)的分子鏈更容易進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有利于結(jié)晶。而隨著退火時(shí)間的增加，如圖4所示，無定型區(qū)分子鏈有足夠的時(shí)間進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶程度也隨著上升，通過計(jì)算，退火30分鐘時(shí)，PET膜結(jié)晶度為16.53%，3個(gè)小時(shí)，PET膜結(jié)晶度上升到為34.3%，而當(dāng)6小時(shí)時(shí)，PET膜結(jié)晶度為51.72%。

圖3 接收板距離對PET膜結(jié)晶性能影響

Fig.3 Effect of spinning distance on the crystallization performance of PET film

圖4 退火溫度對PET膜結(jié)晶性能影響Fig.4 Effect of annealing temperature on the crystallization performance of PET film

圖5 退火時(shí)間對PET膜結(jié)晶性能影響Fig.5 Effect of annealing time on the crystallization performance of PET film

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)探究靜電紡絲工藝條件對PET膜結(jié)晶性能的影響，利用X射線衍射儀對PET紡絲膜的結(jié)晶性能進(jìn)行了分析和計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)紡絲液的濃度不能太低，也不能太高，紡絲液濃度在10%～20%時(shí)可紡，且隨著紡絲液濃度的升高，PET膜結(jié)晶程度升高。

(2)在15kV-35kV可紡范圍內(nèi)，高電壓更有利于提高PET膜的結(jié)晶性能。

(3)接收板距離在10cm所形成的PET膜結(jié)晶性能優(yōu)于接收距離為30cm所形成的PET膜。

(4)退火溫度升高和退火時(shí)間延長，有利于提高PET膜的結(jié)晶程度。