静电场中PVA/PA6复合纳米纤维的成型性研究

魏安方，王生明

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

本研究采用静电纺丝的方法将PVA与PA6复合，制备出了PVA/PA6复合纳米纤维材料，对纺丝工艺参数如溶液质量分数、纺丝电压、纺丝流量及接收距离进行了系统研究，以期制备出直径分布均匀、少珠串结构的复合纳米纤维材料.

1 实验

1.1 材料及设备

聚乙烯醇(PVA1799)，数均相对分子质量为170 000～220 000；尼龙6(PA6)，数均相对分子质量为15 000～20 000.

试剂为甲酸(密度为1.23 g/mL3).

设备为静电纺丝机(JUES-1)，无锡中恒科技有限公司生产；扫描电子显微镜(Hitachi S-4800).

1.2 复合纳米纤维的制备

按1∶1的质量比，将称量好的PVA与PA6固体粉末置于甲酸溶剂中，分别配制得质量分数为6%、8%与12%的溶液，然后用电磁搅拌器搅拌3～4 h，使其充分溶解，制成均匀的纺丝溶液.

用注射器吸取上述10 mL的纺丝溶液，置于静电纺丝机上，设置电压、流量与接收距离等工艺参数，进行电纺.

1.3 形貌观察与分析

将铝箔上收集到的纤维网取下，剪成细小块状，喷金40 s后置于扫描电子显微镜中观测，并运用Image J软件测算出纤维的直径分布.

2 不同条件下复合纳米纤维的成型性

2.1 电纺不同质量分数的PVA/PA6

不同质量分数的PA6/PVA电纺后的电镜图如图1所示，当PA6/PVA质量分数为6%时，制备的纤维直径较细且出现很多断头，纤维之间存在大量的珠状物，纤维的成型性不好； 当混合物质量分数增加到8%时，纤维的直径变粗，很少出现断头和珠状物，但纤维之间存在粘连；当混合物质量分数进一步增加到12%时，纤维直径进一步变粗，形貌清晰且无珠状物，其成型性得到较大改善.这主要是因为静电纺丝是利用外加电场的作用使聚合物溶液表面分子克服表面张力形成喷射细流，并以高速无规则的螺旋运动沉积在接收装置而形成超细纤维膜的.在纺丝过程中，高分子聚合物溶液的质量分数是最重要的参数之一[3].聚合物溶液的质量分数较低时，只会形成液滴而不是连续的纤维；随着聚合物溶液质量分数的增加，溶液的黏度越大，聚合物分子链间的缠结作用越大，成型越容易，喷射细流被电场力拉伸变细的能力相应减弱，使得纤维的直径相对增大.

(a) 6%(×20 000) (b)8%(×20 000) (c)12%(×20 000)

2.2 不同纺丝电压下电纺PVA/PA6

由图2可知，当纺丝电压为16 kV时，纤维直径较粗且出现珠状物；当纺丝电压为18 kV时，纤维直径变细，珠状物变少；当纺丝电压进一步加大到20 kV时，纤维直径进一步变细，珠状物几乎消失.

(a) 16 kV (×20 000) (b)18 kV (×20 000) (c)20 kV (×20 000)

运用Image J软件对上述电镜图片进行分析，发现随着电压的增大，收集到的纤维平均直径由81.6 nm减少到了75.2 nm，最后降至63.0 nm.这是因为聚合物液滴是在电场力的作用下被拉伸成超细纤维的，故电场力是纤维直径大小的主要因素之一[4].纤维的直径取决于聚合物溶液在电场力的作用下生成细流的程度，拉伸的细流直径越小，最终生成的纤维直径越细.当外加电压较小时，生成的静电纺纤维相互粘连，有珠状缺陷.随着电压的增大，聚合物溶液的喷射细流具有更大的表面电荷密度，静电斥力较大，射流获得更大的加速度的同时给纤维提供了更大的拉伸应力，从而有利于制得更细的纤维.

2.3 不同喷丝流量下电纺PVA/PA6

由图3可知，当喷丝流量为0.1 mL/h时，运用软件对电镜图片进行分析后，发现制备的纤维直径较粗，平均直径为102.1 nm且出现大量的珠状物；当喷丝流量为0.2 mL/h时，制备的纤维直径变细，平均值为89.4 nm且珠状物减少；当喷丝流量增加到0.3 mL/h时，制备的纤维直径进一步变细，平均值达到72.5 nm，珠状物几乎消失.这是因为喷丝流量的增加使单位细流上获得的加速度越大，有利于细流的拉伸变细[5].如果获得的加速度不够大，珠状物就较多.

(a) 0.1 mL/h (×2 000) (b) 0.2 mL/h (×10 000) (c) 0.3 mL/h(×10 000)

2.4 不同接收距离下电纺PVA/PA6

由图4可知，在100～140 mm的接收距离范围内，随着接收距离的增大，纤维直径变粗且易形成珠状物；当接收距离为100 mm时，纤维平均直径为116.7 nm，少珠状物；当接收距离为120 mm时，纤维平均直径为128.2 nm，出现较多的珠状物；当接收距离为140 mm时，纤维平均直径为140.5 nm，出现大量珠状物.这是因为电场强度和电场力是随着接收距离的增加而减少的，如接收距离变大，则电场强度和电场力变小，如果其不足以克服液滴的表面张力，液滴没有被完全拉伸拉细，纤维直径就会变粗且容易形成珠状物.

(a) 100 mm(×10 000) (b)120 mm(×10 000) (c) 140 mm(×10 000)

3 结论

研究了静电场中溶液的质量分数、纺丝电压、喷丝流量以及接收距离对复合纳米纤维成型性的影响，得出如下结论：随着溶液质量分数的增加，纤维的形貌变好，直径变粗；随着纺丝电压和喷丝流量的增加，纤维的平均直径变细，珠状物逐渐减少；随着接收距离的增加，纤维的平均直径变粗，珠状物增多.对PVA/PA6复合纳米纤维成型性影响因素的研究，为制备出形态良好、结构完整、性能优越的超细纤维复合材料打下了坚实的基础.

参考文献：

[1]刘忠科,雍奎刚.热处理对聚乙烯醇薄膜性能的影响[J].塑料科技,2007,35(6):56-59.

[2]Yeh J T, Xu P, Tsai F C, et al. Blending properties of poly(vinyl alcohol) and nylon6-clay nanocomposite blends[J]. J Mater Sci,2007(42):6590-6599.

[3]Darrell H，Reneke,Alexander L，et al. Electrospinning jets and polymer nanofibers[J].Polymer,2008(49):2387-2425.

[4]Fong H,Chun I,Reneker D H. Beaded nanofibers formed during electrospinning[J].Polymer,1999(40):4585-4592.

[5]徐明,潘志娟.静电纺丝及其在纳米级丝素纤维制品开发上的应用[J].苏州大学学报：工科版,2004,24(4):38-42.