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静电纺丝法制备聚合物纳米纤维及其应用

姚永毅  
【摘要】:纳米科学技术是在1~100nm尺度空间内,研究电子、原子和分子运动规律和性质的高技术学科。它的最终目标是直接可以操纵单原子,制造具有特殊功能的机械和相关产品。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米尺度(1—100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。目前研究和生产最多的纳米材料是零维纳米材料,即纳米微粒,例如纳米银粉,纳米二氧化钛及纳米碳酸钙等。与零维纳米材料的研究相比,一维纳米材料研究要少得多。随着对纳米材料研究的深入,一维纳米材料(或纳米纤维)的研究越来越受到研究者们的重视,成为目前纳米材料研究的热点之一。纳米纤维是指直径处在纳米尺度范围(1~100nm)内的纤维。另外还可以将包含其他维纳米材料的常规纤维也看成是纳米纤维。近年来,发展了许多制备纳米纤维的方法,如拉伸、模板聚合、相分离、自组织、静电纺丝等。其中静电纺丝方法是目前唯一能够直接连续制备聚合物纳米纤维的一种直接方法。在静电纺丝过程中,当聚合物溶液或聚合物熔体表面上的电力克服其表面张力时,带电射流产生喷射。射流拉伸成一直线至一定距离,然后弯曲,进而沿环形或螺旋形路径行走。静电力使射流伸长数千倍甚至数百万倍或分裂几次,由于拉伸和分裂射流变得非常细。最后,溶剂挥发或熔体固化。结果所得纳米纤维以无纺布的形式收集于与地线连接的金属板、缠绕器或其他收集器上。 本文对国内外静电纺丝法制备聚合物纳米纤维的研究进行了系统分析,提出设计和制造实验静电纺丝机的设想。通过设计,制造出标准静电纺丝机原型机。在标准静电纺丝机原型机的基础上,发展了一种新型的静电纺丝机—气流/静电纺丝机。改进了标准静电纺丝机的喷丝头,增加了气流喷射系统。提出聚 合物纳米纤维的气流/静电纺丝法。利用气流/静电纺丝机制备出几种常规的成纤 聚合物,如聚丙烯睛(1叭N)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)和聚讽(PSU) 等的纳米纤维。以聚矾为模型聚合物,对气流/静电纺丝法制备聚合物纳米纤维 时的工艺条件进行了系统的研究。研究结果表明:气流/静电纺丝法与标准静电 纺丝法一样,能用于制备聚合物纳米纤维、且产量有明显的提高。其过程参数 对纳米纤维的直径有明显的影响。本论文的主要研究工作为: 1.首先设计和制造了标准静电纺丝机原型机。采用垂直式设计。它主要包 括高压系统、进样系统和收集系统。高压系统提供的高压静电压为0一70.0 kV, 可无极调节。进样器采用针筒式活塞泵,能提供100棺/cm’的推动力,适应范 围宽,特别对粘度较高样品的静电纺也能进行。收集系统采用不锈钢网或板, 可根据需要更换。 对标准静电纺丝机原型机进行了改进。提出聚合物纳米纤维的气流/静电纺 丝法。主要改进是在标准静电纺丝机的喷丝头上增加了气流喷射系统。对喷丝 头重新设计。与标准静电纺丝机的针头式喷丝头不同,新型喷丝头由导气口、 导样管、缓冲腔、毛细管和压板组成。压板底端有一个与毛细管同心的圆孔, 用于导出气流。 为了验证气流/静电纺丝机在聚合物纳米纤维制备过程中的可行性。采用所 研制的气流/静电纺丝机,对几种典型的成纤聚合物(如:队N、PS、PVA、PSU) 进行了静电纺丝实验。结果表明,所选聚合物均能在该机上制备出相应的纳米 纤维。 2.用PSU作模型聚合物以气流/静电纺丝法制备了直径范围在50~SOOnm 之间的PUS纳米纤维。对比了气流/静电纺丝法和标准静电纺丝法在制备聚合物 纳米纤维过程中的差异。从收集器上纳米纤维的量来看,在相同的收集时间内, 气流/静电纺丝法所得纳米纤维比标准静电纺丝法所得的纳米纤维要大几倍。这 为静电纺丝制备聚合物纳米纤维提供了一种扩大纤维产量的途径。还着重研究 了气流/静电纺丝过程中,过程参数对纳米纤维直径的影响进行了系统的研究。 静电纺丝过程主要的过程参数有施加电压、喷丝孔与收集器之间距离和纺丝原 液浓度等。在实验条件下,随着电压从27.5增加至45.0kV,纳米纤维的平均直 径从250nm降至150lun。当喷丝头与收集器之间的距离由15cm增加至19cm时, PSU纳米纤维的平均直径由300nln减小至巧Onm。PSU在二甲基乙酸胺 (DMAc)浓度为10%时,所得纤维的平均直径约为130nm,当浓度增加至20 %时,纤维直径相应地增大至250lun。研究表明:在静电纺丝过程中,过程参 数对所得聚合物纳米纤维直径有显著的影响。施加电压越高,纳米纤维直径越 小;喷丝头与收集器之间的距离越大,纳米纤维的直径越小;在能成纤的聚合 物浓度条件下,浓度越低,纳米纤维的直径越小。 3.采用扫描电镜(s EM)和原子力显微镜(AFM)对所制得的PSU纳米 纤维形态进行了表征。从SEM分析可以看出实验制备的PSU纳米纤维较为均 匀。在2500倍的低放大倍数条件下,扫描电镜照片中的纳米纤维并不均匀,可 以明显地看到粗细纤维。但当将扫描电镜的放大倍数从2500提高到30000倍时, 可以看出粗纤维均是几根细纤维合并而构成的。利用原子力显微镜的更高分辨 率观察了电纺PSU纳米纤维的表面形貌。从AFM可以看出PSU纳米纤维表面 为粗糙表面,粗糙程度为5一IOnm。可以看出表面在纵向?


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