靜電紡絲制備PVDF納米纖維膜的優(yōu)化生產工藝探討

馬 露 吳紅艷

河北科技大學 紡織服裝學院(中國)

靜電紡絲是一種使用電力將聚合物溶液或熔體拉伸固化成納米纖維的紡絲技術[1]。通過靜電紡絲技術通?？色@得直徑為100～1 000 nm的纖維，且所得纖維具有較高的比表面積。靜電紡納米纖維膜具有較高的孔隙率[2]。靜電紡絲的一個重要優(yōu)點是其裝置簡單、成本低。目前，靜電紡絲技術已被應用于很多領域，如制備過濾器膜、催化劑納米纖維、纖維傳感器，以及組織工程支架等[3]。

聚偏二氟乙烯(PVDF)因具有良好的力學性能，優(yōu)異的抗氧化性、水解性和熱穩(wěn)定性及成膜性能，以及出色的離子傳導性[4]，已成為目前應用最廣泛的膜材料之一。

靜電紡絲制成的PVDF納米纖維膜具有較高的孔隙率、氣體滲透性及高體表面積比，這使得其在分離技術中應用廣泛。然而，靜電紡絲技術生產PVDF納米纖維膜的工藝受到諸多工藝因素的影響，如聚合物濃度、流速及接收距離等，這些因素將導致所得PVDF納米纖維膜質量上的差異。為獲得高性能PVDF納米纖維膜，本文嘗試從PVDF質量分數、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)與丙酮的質量比、針尖與收集器間的距離(接收距離)及紡絲速度4方面，探討采用靜電紡絲技術制備高性能PVDF納米纖維膜的優(yōu)化工藝。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用市售PVDF作為溶質，市售DMF和丙酮作為溶劑，制成紡絲溶液后，進行靜電紡絲。

1.2 儀器設備

本文的靜電紡裝置由注射泵、注射器(真空，直徑為0.41 mm)、高壓電源和平板收集器組成(圖1)。注射針尖連接至高壓電源，集電極接地。

圖1 靜電紡絲裝置

1.3 正交試驗設計

靜電紡絲工藝受諸多變量的影響，PVDF質量分數(A)、DMF與丙酮的質量比(B)、接收距離(C)和紡絲速度(D)被認為是主要的因素。為此，本文設計了如表1所示的正交試驗方法(四因素三水平)，以確定生產PVDF納米纖維膜的優(yōu)化靜電紡絲工藝。

表1 正交試驗設計

1.4 紡絲過程

采用表1的工藝參數設置，將PVDF溶于不同質量比的DMF和丙酮中，密封溶液并攪拌4 h。將攪拌好的溶液裝入10 mL的注射器中，并通過表面張力將其保持在針尖上。將高壓電源調至15 kV，此時紡絲溶液本身帶有的電荷將產生排斥。這種靜電力將抵抗表面張力，最終電荷斥力克服表面張力，引起射流[5]。由于液流在噴出后變細，其表面電荷密度增大，電荷排斥力進一步增大，液流受拉伸，其表面積快速擴張，并最終沉積在收集器上。在噴射流行進過程中，溶劑蒸發(fā)。所有試驗均在室溫下進行。紡絲結束后，放置一段時間，再將PVDF納米纖維膜從平板收集器的鋁箔紙上剝離。

2 結果與討論

采用正交試驗法，進行9種工藝條件下的靜電紡絲試驗。獲得的靜電紡PVDF納米纖維膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖2所示。纖維膜中纖維的直徑統(tǒng)計結果如表2所示(由于試驗4和5不能有效地形成納米纖維膜，因此未統(tǒng)計在內)。

表2 纖維的直徑與方差

由圖2可以看出，試驗4和5不能有效形成PVDF納米纖維膜，因為在試驗4和5的工藝條件下，針尖被阻塞，不能形成射流。試驗1、 2、 3和6制得的納米纖維的形態(tài)不清晰，纖維直徑不均勻，并且還可以觀察到纖維上形成了串珠和纏結。這是由于溶劑未完全蒸發(fā)及纖維沒有受到足夠的拉伸所致。試驗7、 8和9的紡絲操作順利，制得的納米纖維形態(tài)結構清晰、直徑均勻，纖維上沒有形成串珠和纏結。

a) 試驗1

c) 試驗3

e) 試驗5

i) 試驗9

圖2 靜電紡PVDF納米纖維膜的SEM圖

進一步對比這3個試驗發(fā)現，試驗8制得的纖維的平均直徑和方差均最小(表2)。由此可知，采用試驗8的工藝條件較適宜，即靜電紡制備PVDF納米纖維膜的優(yōu)化工藝如下：PVDF質量分數為14%，DMF與丙酮的質量比為8/2，接收距離為12 cm，紡絲速度為1.0 mL/h。

3 結論

為了確定生產PVDF納米纖維膜的靜電紡絲最佳工藝，設計正交試驗并進行實驗。結果表明，如果工藝參數不適合就不能得到PVDF納米纖維膜，會觀察到纖維直徑不均勻或是有串珠和纏結現象。通過靜電紡絲技術制備PVDF納米纖維膜的優(yōu)化工藝如下：PVDF質量分數為14%， DMF與丙酮的質量比為8/2，接收距離為12 cm，紡絲速度為1.0 mL/h。