珍珠粉基/PAN微納纖維膜的制備及抗紫外性能測(cè)試

周 琪 吳拓明 熊紫吟 蔣詩(shī)慧 黃仕卿

湖南工程學(xué)院(中國(guó))

靜電紡絲技術(shù)是一種利用聚合物溶液或熔體在高壓靜電場(chǎng)作用下形成噴射紡絲的加工方法，是目前唯一可連續(xù)生產(chǎn)直徑為幾十納米到幾微米的超細(xì)纖維的制備工藝，引起國(guó)內(nèi)外研究者們的廣泛關(guān)注[1]。靜電紡絲技術(shù)具有簡(jiǎn)單高效、纖維形貌靈活可控等優(yōu)點(diǎn)[2]。通過(guò)調(diào)整紡絲液的濃度或配比可獲得多種形貌和尺寸的聚合物纖維膜。靜電紡絲制備的微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)纖維膜在組織工程[3]、藥物緩釋[4]、油水分離[5-6]、光催化降解[7]、傳感[8-9]、電池隔膜[10]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但關(guān)于靜電紡絲微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)在功能性服裝上的應(yīng)用卻較少。本文采用靜電紡絲技術(shù)，將具有良好抗紫外性能的天然珍珠粉與聚丙烯腈(PAN)結(jié)合，制備具有微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)的珍珠粉基靜電紡絲纖維膜，并測(cè)試其抗紫外性能，為相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用主要設(shè)備為FM-1302型靜電紡絲設(shè)備(北京富友馬科技有限責(zé)任公司)、日立高新鎢燈絲掃描電鏡型SU 3500型，分別如圖1和圖2所示。

圖1 FM-1302靜電紡絲設(shè)備

采用HD 902C型防紫外線透過(guò)及防曬保護(hù)測(cè)試儀測(cè)試紡織品紫外線透過(guò)率和紫外線防護(hù)系數(shù)。該設(shè)備適用于美國(guó)AATCC 183—1998、英國(guó)BS 7914—1998、歐盟PREN 13758—2001、澳洲AS/NZS 4399—1996和中國(guó)GB/T 18830—2002標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 靜電紡PAN納米纖維膜的制備

設(shè)置3個(gè)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試紡，以獲得纖維形態(tài)良好的PAN納米纖維膜，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 紡絲工藝參數(shù)

1.3.2 珍珠粉微納結(jié)構(gòu)纖維膜的制備

采用靜電噴霧技術(shù)在PAN納米纖維膜表面形成珍珠粉微球，構(gòu)造PAN納米纖維膜與珍珠粉微球結(jié)合的微納結(jié)構(gòu)，從而制得珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜。

本試驗(yàn)在制備納米纖維膜的基礎(chǔ)上，設(shè)置3種不同的紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試紡，以獲得分布狀態(tài)良好的微球結(jié)構(gòu)，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 紡絲工藝參數(shù)

1.3.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜的制備

采用1.3.1節(jié)和1.3.2節(jié)試驗(yàn)所得較優(yōu)PAN溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改變珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表4)，制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，并測(cè)試其抗紫外性能。

表4 珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜電紡PAN納米纖維膜

按照1.3.1節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的紡絲工藝參數(shù)，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%和16%的PAN溶液進(jìn)行靜電紡絲制備納米纖維膜，用掃描電鏡觀察其成膜形態(tài)，并測(cè)試PAN納米纖維膜的纖維直徑。不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的纖維膜試樣(A1～A3)的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。

由圖3可知，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，纖維直徑較大，粗細(xì)不勻；PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，纖維直徑適中，但纖維直徑差異較大；相對(duì)而言，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，纖維直徑小且纖維細(xì)度均勻度高。不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的纖維膜的纖維直徑如表5所示。

a) 試樣A1

b) 試樣A2

c) 試樣A3

表5 不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備纖維膜的纖維直徑單位：nm

試樣編號(hào)第1次測(cè)量第2次測(cè)量第3次測(cè)量平均值A(chǔ)1192204226207A2484578377480A3667550474564

從表5可知，紡絲液PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維直徑有明顯影響，在相同紡絲條件下，纖維直徑與紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN纖維膜成形最好。因此，宜選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN溶液制備納米纖維膜。

2.2 珍珠粉微納結(jié)構(gòu)纖維膜

按照1.3.2節(jié)的紡絲工藝參數(shù)，噴霧制備珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，通過(guò)SU 3500型掃描電子顯微鏡觀察到其噴霧效果，如圖4所示。

a) 試樣B1

b) 試樣B2

c) 試樣B3

圖4顯示，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，PAN成纖較多，纖維形貌較密致，形成的網(wǎng)絡(luò)空間較小；PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，PAN成纖較稀疏，形成的網(wǎng)絡(luò)空間更大，更易于珍珠粉微球均勻分布。因此，宜采用PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的稀溶液制備含珍珠粉微球結(jié)構(gòu)的纖維膜。

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜的抗紫外性能

在納米纖維膜上使用不同珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.0%、0.5%、1.0%、1.5%)的PAN混合稀溶液進(jìn)行噴霧，烘干后進(jìn)行抗紫外性能測(cè)試。4種珍珠粉基微納纖維膜的抗紫外性能測(cè)試結(jié)果如表6所示，其中UVA、UVB和UPF分別為紫外長(zhǎng)波、紫外短波和紫外線防護(hù)系數(shù)。

表6 不同珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維膜抗紫外性能測(cè)試結(jié)果

從表6數(shù)據(jù)可知，珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%時(shí)，制備的微納結(jié)構(gòu)纖維膜UPF為8.8，當(dāng)珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，UPF為14.8，相比未添加珍珠粉制備的微納結(jié)構(gòu)纖維膜，其UPF值提升了68.2%。數(shù)據(jù)表明，隨著珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，珍珠粉基微納結(jié)構(gòu)纖維膜的UPF值增大，抗紫外性能提高。

3 結(jié)論

本文利用靜電紡絲技術(shù)制備了珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，并測(cè)試了其抗紫外性能，結(jié)論如下。

——PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN溶液制備的纖維膜纖維直徑分布均勻，成形效果較好。

——PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的PAN溶液成纖較少，形成網(wǎng)絡(luò)空間大，珍珠粉微球分布較均勻。

——隨著珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0%增加到1.5%，珍珠粉基微納結(jié)構(gòu)纖維膜的UPF值由8.8增加到14.8，纖維膜抗紫外性能提高。