静电纺纤维膜的疏水性能和拉伸性能的研究

【摘要】： 表面润湿性是固体表面的重要特征之一,也是最为常见的一类界面现象。超疏水表面是指水与固体表面的接触角大于150°的表面,超疏水材料在工农业生产和人们的日常生活中有着非常广阔的应用前景,构建超疏水性界面材料在基础科学和应用领域均具有极其重要的意义。一般制备超疏水表面的方法有两种:一种是改变具有疏水性质的光滑表面的粗糙度,另一种是用低表面能的物质修饰粗糙的表面。近年来,关于超疏水的研究飞速发展,人们通过仿生(如仿荷叶、银泽菊叶等)成功开发出多种在材料表面构筑粗糙结构的方法以实现超疏水,但这些方法大多需要特殊的加工设备或复杂的工艺过程,且制备的超疏水表面拉伸性能极差,限制其应用范围。因此,开发简单方便、可用于大面积制作超疏水表面的技术,制备具有优良拉伸性能的超疏水表面是一项具有挑战性的研究课题。 本文首先简介了超疏水基本理论,在分析超疏水表面制备技术发展现状的基础上,针对目前超疏水表面制备连续性差、生产效率低、制备的产品拉伸性能差等因素导致无法大规模推广应用的问题,通过多喷头注射泵、旋转式滚筒收集器和横向移动装置改进传统静电纺丝机,探索了一种用于超疏水表面制备的改良型的静电纺丝技术,从而实现大面积制备具有优良拉伸性能的超疏水表面。 本课题以聚苯乙烯(PS)为主要原料,分别以尼龙6(PA6)和聚丙烯腈(PAN)为增强体,采用改良型静电纺丝机复合纺制了PS/PA6和PS/PAN两个系列的纤维膜,并进行性能研究。实验过程中首先进行了纯纺PS、PA6、PAN工艺条件探索,找出各自纯纺的工艺参数范围;为了顺利地进行复合纺,将3种聚合物纯纺工艺参数进行优化组合,确定了复合纺工艺:PS、PA6和PAN纺丝溶液浓度分别为30%、20%和12%。电压为20 kV,接收距离为15 cm,注射泵推进速度为2mL/h,滚筒运转速度为100 m/min,横向移动速度为7 m/min,复合纺PS/PA6和PS/PAN的注射泵喷头比例为4/0、3/1、2/2、1/3和0/4。实验温度为25℃,相对湿度为25%。对所制备的纤维膜进行润湿性能和拉伸性能的测试,测试结果表明:纯纺PS纤维膜表面具有超疏水性(WCA=154°),并且水滴在此表面很容易滚动,但拉伸性能很差,强度低。由于PA6和PAN均属于亲水材料,为了保证复合纺制纤维膜的超疏水性能和较好的拉伸性能,通过不同聚合物溶液喷头比例的组合,找出最佳复合纺喷头比例,实验结果表明,复合纺PS/PA6和PS/PAN的最佳喷头比例分别为2/2和3/1。 为了研究静电纺纤维膜超疏水性能形成机理和拉伸增强机制,本文通过对静电纺纤维膜表面进行扫描电镜、红外分析和X射线衍射测试,实验结果表明微米级静电纺PS纤维表面有大量纳米级的凸起和沟槽,PS纤维所具有的这种独特的“类银泽菊叶”微纳米阶层结构与PS本身的较低表面能的共同作用使得PS纤维膜表面具有了超疏水性。本文中的静电纺纤维膜具有类非织造布的纤维网结构,纤维膜中纤维呈随机分布且分散均匀,复合纺时增强型聚合物由于溶剂来不及挥发形成的纤维固结点以及多喷头静电纺过程中较细的PA6或PAN纤维与较粗的PS纤维形成的缠结、穿插的共同作用提高了纤维间的连结作用,拉伸时无数个接触摩擦点和纠缠锁结点固结的共同作用,使得复合纺纤维膜的拉伸性能得到极大提高。以复合纺PS/PA6为例,当喷头比例为2/2时制备的纤维膜的WCA为150°,WCAH为10°;该纤维膜与纯纺PS纤维膜相比,其拉伸强度和初始模量分别提高了196.88%和279.87%。采用改良型静电纺丝机可将不同的聚合物溶液复合纺丝制备具有较好拉伸性能的大面积超疏水材料。