二醋酸纖維素纖維(CDA)靜電紡絲可紡性研究

張小葉,何 斌,武世鋒,周衡書

(湖南工程學院 紡織服裝學院,湖南 湘潭411104)

近年來,中國一直呼吁綠色生活和可持續發展。隨著石油和煤炭儲量的減少以及各國對環境污染的日益關注和重視,纖維素作為可持續可再生資源的應用越來越受到重視,這就對我國的再生纖維素纖維工業指出了環保發展的發展方向[1]。相對別的纖維而言,醋酸纖維生產過程更加環保綠色,開發醋酸纖維(一般指二醋酸纖維素纖維)對保護環境、維護產業健康持續發展具有重要意義[2]。

纖維素纖維是重要的可再生纖維原料,如何改善纖維生產過程,使其減少對環境的沖擊且具有可持續性是再生纖維素纖維生產的努力方向。本文主要對二醋酸纖維素纖維靜電紡絲的可紡性進行探究。

1 試驗材料及儀器

1.1 化學試劑

二醋酸纖維素(寶芊塑化原料有限公司)、丙酮(學校實驗室提供)、蒸餾水(學校實驗室提供)、二甲基乙酰胺(學校實驗室提供)。

1.2 儀器

FM-1302型靜電紡絲機、S25-2型磁力攪拌器、電子天平、鑷子、多種規格的磁石,試劑瓶(30 ml)、錫紙、直尺、量筒、藥匙、膠頭滴管等。

2 溶劑體系選擇

2.1 溶解過程

選擇3種溶劑來配置紡絲液,分別是丙酮(AC)、丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)和丙酮/水(AC/H2O)。選擇丙酮作為溶劑,查閱相關資料得出適宜的紡絲液質量分數在10%左右。試驗參數及溶劑溶解二醋酸纖維素結果見表1。

表1 3種溶劑完全溶解需要的時間

以丙酮/水(AC/H2O)體系為例,其溶解過程如圖1所示。由表1中可知,純丙酮作為溶劑所需的溶解時間最長,耗時最短的是丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)混合溶劑。鑒于實際的效率,丙酮作為溶劑的試驗方案被排除。

2.2 上機試紡

將丙酮/水(AC/H2O)溶劑體系和丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)溶劑體系溶解二醋酸纖維素(CDA)的溶液在FM-1302型靜電紡絲機進行試紡。試驗步驟如下：

(1)將配置好的溶液裝入注射器,裝完后將注射器倒置,使注射器內氣泡集中并用手指彈出。

(2)選用18#針頭,將針頭(即噴絲頭)裝在注射器口上,并把注射器固定在機器上,將Y軸推至剛好與注射器底端接觸的位置,使機器開始工作就可以推出溶液。同時將高壓電源正極夾在針頭上,負極接在接收裝置上。

圖1 丙酮/水(AC/H 2 O)(47∶3)體系溶解過程

(3)將裁剪好的基底材料(錫箔紙)固定在接收滾筒上。

(4)調整試驗參數,選擇噴絲頭高度10 cm、X軸移動距離20～22 cm(噴絲頭橫移距離)、橫移速度2 mm/s及Y軸推進速度(溶液擠出速度)2 mm/s。

(5)關閉設備工作室的門,打開電源,調整電壓調節旋鈕,調至合適的電壓,一開始選用16 k V的電壓。點擊X軸“掃描”和Y軸“啟動”按鈕。

(6)開始穩定噴絲后,此時電壓為17.7 k V,溫度為32℃,濕度為71.2%。調節收集滾筒速度為零,便于觀察丙酮/水(AC/H2O)溶劑體系溶液和丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)溶劑體系溶液的噴絲情況。

2.3 選擇結果

試紡過程中,當溶液質量分數為10%時,2種溶劑試紡都可紡出連續且均勻的纖維。以丙酮/水(AC/H2O)為溶劑的溶液試紡時會輕微堵塞針孔,而丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)為溶劑時不會,但其紡出的絲落到錫紙上后慢慢又變為溶液狀態,難以紡成纖維膜。如圖2、圖3所示。

基于此次試紡結果,最終選擇了丙酮/水(AC/H2O)的混合溶劑作為后續靜電紡絲試驗的溶劑。

3 AC/H 2 O體系配比選擇

經過試紡確定使用丙酮/水(AC/H2O)溶劑體系,但用以上體積比配制溶液,其完全溶解二醋酸纖維素所需要時間仍較長。蒸餾水為助溶劑,一定體積的水可提高紡絲效率[3]。為獲得更簡潔試驗方案,又設置幾組溶劑配比來進行試驗。具體試驗配比及溶解所需時間結果見表2。

圖2 AC/H 2 O作為溶劑試紡效果

圖3 AC/DMAC作為溶劑試紡效果

表2 溶劑各體積比及溶解時間

從表2數據分析得出,在所配置的幾個混合溶劑體積比重中,隨著蒸餾水所占體積增大,溶液的溶解時間逐漸變短。接著將配制完成的3種溶液進行上機試紡,觀察到試紡過程中蒸餾水占比高的溶液紡絲時堵塞針孔的現象會有極小的改善。結合溶解時間和試紡過程中觀察到的結果,選擇丙酮/水溶劑體系的配比為5∶1。

4 CDA纖維膜的制備

靜電紡纖維的原料為高分子聚合物,那么其溶液質量分數是其重要的影響因素。通過查詢資料和文獻,確定適宜丙酮/水(AC/H2O)體系溶液靜電紡絲的溶液質量分數在6%～12%之間,為此配置了6%、8%、10%、12%4個濃度梯度,用這幾個濃度梯度的紡絲液進行試紡。

在上述試紡程序的基礎上,待開始穩定噴絲后,調節收集滾筒速度,開始制備纖維膜。

以丙酮/水(5∶1)為溶劑配制溶液時,工作電壓控制在16.5～17.5 k V。電壓過小在噴絲過程中出絲量較小且容易出液滴,過大則在噴絲過程中易產生電火花。其中質量分數為12%的溶液紡絲堵塞針頭太厲害,使得紡絲過程不能正常進行,因而放棄該質量分數溶液的試紡。

將靜電紡絲納米纖維膜從設備上取下來,放置在干燥通風處自然晾干,時間為2天。對干燥后的纖維膜進行性能測試,確定其是否具有一定的性能。所制得的纖維膜如圖4所示。

圖4 醋酸纖維納米/微米纖維膜

5 CDA纖維膜性能測試

5.1 掃描電鏡

從3個不同質量分數的纖維膜上各取一小樣,將樣品小心固定在試樣臺上,經噴金處理后,用SU3500電鏡掃描儀拍攝出纖維網的電鏡圖片,結果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 質量分數為6%的CDA纖維膜

由圖5可知,該纖維膜的纖維直徑差異較大,直徑較大的可達到701 nm,小的可以到115 nm。初步分析可能是由于紡絲過程中收絲滾筒的速度未保持一致導致纖維的牽伸程度不一,從而導致纖維直徑差異較大。

圖6 質量分數為8%CDA纖維膜

從圖6可明顯看出,質量分數為8%的纖維膜上的纖維細度相較6%的更加均勻；部分纖維上有顆粒狀物質粘結,初步分析可能是由于噴絲過程中存在有噴出的溶液未能及時成絲而以細小噴霧的形式落到纖維膜上,導致部分纖維上出現該現象。

圖7 質量分數為10%CDA纖維膜

從圖7可知,質量分數為10%的二醋酸纖維素纖維膜的纖維細度較均勻,且未見顆粒狀物質粘結,纖維表面也較光滑。

5.2 熱阻性能

測試熱阻性能使用的儀器為YG606G-Ⅱ熱阻濕阻測試儀。熱阻表示紡織品處于穩定溫度梯度的條件下通過規定面積的干熱流量(參照標準GB/T 11048-2008)。

3個不同質量分數的纖維膜熱阻測試數據見表3(空板熱阻為0.054 6 m2·K/W)。

表3 纖維膜熱阻性能測試數據

由表3數據可分析得出,質量分數為6%的CDA纖維膜保溫效果最差,質量分數為10%的CDA纖維膜保溫效果最好。質量分數越高,傳熱性越差,熱阻越好。

5.3 透氣性能

CDA納米纖維膜的透氣性能測試用到的儀器為YG461E電腦式透氣性測試儀。每一個質量分數的纖維膜取3個試樣進行測試(參照標準GB/T 5453-1997),得到的測試數據如表4所示。

通過對測試數據的分析,得出2點結論。

(1)質量分數為6%的CDA纖維膜透氣性最差,8%與10%的CDA纖維膜透氣性較接近；

(2)質量分數與纖維膜的透氣性存在正比關系。

6 結論

(1)通過丙酮(AC)、丙酮/二甲基乙酰胺(AC/DMAC)和丙酮/水(AC/H2O)3種溶劑體系對二醋酸纖維素的溶解以及溶液的靜電試紡,得出丙酮/水(AC/H2O)體系混合溶劑的紡絲效果最好。

(2)在丙酮/水(AC/H2O)體系下,幾個混合溶劑體積比重中,隨著蒸餾水所占體積增大,溶液的溶解時間逐漸變短,結合溶解時間和試紡過程中觀察到的結果,選擇丙酮/水混合溶劑的體積比為5∶1。

(3)不同的溶液質量分數下,當溶液質量分數為12%的溶液紡絲針頭堵塞嚴重,使得紡絲過程不能正常進行,因而放棄該溶液質量分數的試紡。對6%、8%、10%3個溶液質量分數的CDA纖維膜進行測試,得出CDA質量分數為10%時紡出的樣品性能最好：成膜纖維細度均勻、表面光滑,未見顆粒狀物質粘結,纖維膜保溫效果好、透氣性好。