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新型无溶剂静电纺丝技术制备功能超细纤维及其应用

何宏伟  
【摘要】:本文首先回顾并简要介绍了静电纺丝制备超细纤维方法的历史和发展状况,以及应用此法制备的微纳米纤维的形貌及其广泛的应用。同时对静电纺丝及其过程进行了剖析,指出了目前主要的静电纺丝手段——溶液电纺的主要问题:大量使用易燃易爆且有毒有害的有机溶剂(超过80wt%),电纺液转化率低于20%;大量溶剂的挥发严重危害操作人员的健康并且造成环境污染,挥发的溶剂回收困难。熔体电纺是一种无溶剂的电纺方式,但其装置复杂,且高温限制了纤维的功能化。在此常规的两种电纺流程中,射流凝固成固体纤维分别依赖于溶剂的挥发和环境低温,两者均为物理变化过程。本文提出了在外界条件的影响下,使射流发生化学变化而凝固成纤维的方案。在此基础上,提出了适应此方案的新型静电纺丝装置、电纺液配置及其电纺过程,应用此改进的电纺方案成功制备出了超细纤维,并可方便地通过调整电纺前驱液的配方而得到功能性的微纳米纤维。主要的研究开发内容简述如下:一、UV辅助固化无溶剂静电纺丝制备微纳米纤维及其应用。UV固化材料是由活性低聚物、单体稀释剂和引发剂组成的一类光敏混合物体系。由于其固化快、无溶剂挥发、环境友好等优点,因此广泛地应用于涂料、油墨、粘合剂等领域。但UV固化材料面临一个很大的问题是在空气中固化时的氧阻聚现象。我们通过对传统溶液电纺装置进行设计、改进,以UV可固化的液体作为电纺液,将电纺喷嘴及接收极装置置于透明箱体中,N2气保护,箱体外辅以UV光辐照,电纺射流在“飞行”过程中受UV辐照而固化并沉积于接收极。此装置克服了具有高比表面积的电纺射流由于强烈的氧阻聚效应而导致射流不固化的难题。电纺过程并无任何“溶剂”损失,电纺液几乎100%转化为纤维;由于电纺液为常规的UV固化体系,具有方便的配方可调整性,因而通过掺杂颜料制备了色牢度更高的微纳米彩色纤维。同时尝试掺杂导电微粒、磁性微粒制备了相应的导电纤维和磁性纤维。二、热辅助固化无溶剂静电纺丝制备微纳米纤维及其应用。工业上的热固化体系较多,如环氧系、聚氨酯(PU)系胶粘剂等。其中,PU的原料异氰酸酯与羟基的反应速度较快,且温度较明显地影响其扩链反应速度,因此利用无溶剂的双组份PU体系作为电纺液,并对电纺装置进行改进,以适应热辅助固化的静电纺丝制备PU微纳米纤维。基于聚氨酯的合成方法和无溶剂电纺的设计要求,对PU电纺前驱液的合成进行了优化,用低分子量多元醇(PTMG-500)制备预聚物及另一低分子量多元醇(PEG-400)用作扩链剂。扩链反应进行的同时进行电纺,并通过热辐射(~50℃)的协助下,制备出了平均直径在25-60μm的超细聚氨酯纤维。此电纺前体溶液的配方亦可方便的调整,通过引入2,2-二(羟甲基)丙酸(DMPA),部分地代替扩链剂PEG-400,则所电纺制备的纤维其表面具有一定程度的亲水性。以此纤维为载体,进行苯胺的原位氧化聚合反应,与未引入DMPA的纤维相比,此纤维表面易于沉积更多的PANi,进而得到了导电性PU/PANi复合纤维,电导率达10-2S·cm-1。与UV辅助电纺相似,热辅助电纺亦是一种无溶剂的环保型制备超细纤维的方法,便于制造各种基于PU功能的复合纤维,可用于抗静电织物、抗腐蚀性涂层、传感器等。本文提供了两种无溶剂静电纺丝制备超细纤维的方法,其特点就是利用射流受外界环境的影响而快速固化(化学反应)成纤维,区别于常用的溶液电纺和熔体电纺中的射流成纤方式——物理变化。此两种无溶剂电纺方案均具有环境友好、材料广泛易得且易掺杂功能材料制备功能纤维等优点,其为未来规模化电纺开辟了新的途径,将来亦在3D静电纺丝(直写/3D打印)等领域有着潜在的应用。


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