静电纺丝法制备醋酸纤维素纳米纤维

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2008年
固定时 ,射流平均速度显然与此成正比 ; ③ 喷丝 头与收集板之间的距离 ,距离增大 ,直径变小. 另 外 ,静电射流的流体的粘度或粘弹性 、表面张力 、 电导率 、比热 、热导率及相变热 (例如熔剂的蒸发 热或熔体的结晶热 ) 对静电纺丝过程有一定影 响. 同时 ,射流周围的环境对过程也有一定的影 响 ,如真空 、空气或其他气氛 ,温度 、湿度 、气体流 通速率等. 在电纺中 ,电纺液通常是高分子溶液 (偶尔为熔体 ) ,因此高分子和溶剂的种类十分重 要 ,同时必须考虑其平均相对分子质量 ,相对分子 质量分布及链结构的细节.
[ 3 ] Haiqing L iu, You2lohsies. U ltrafine Fiberous Cellulose M embranes from Electrosp inning of Cellulose Acetate [ J ]. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Phys2 ics, 2002, (40) : 2 119 - 2 129.
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nm. 说明随着接收距离的增大 ,纤维直径也增大 , 这与已有的文献报导 [ 5 ] 不同. 这是因为 : 当电压 一定时 ,接收距离越小 ,在喷嘴与接收板间的电场 强度越大 ,液滴的分裂能力增强 ,所得的纤维直径 越小 ;接收距离越大 ,液滴的分裂能力减弱 ,所得 纤维不仅直径大 ,而且有纺锤状纤维产生.
实验发现 :当醋酸纤维素溶液的浓度低于 5%时 ,液滴将直接滴落 ,无法得到喷射流 ,即不能 进行电纺丝 ;而在 5% ～8%的溶液的电纺丝过程 中 ,在纺丝的同时也伴随有少量的较大液滴喷洒 滴落现象 ,当浓度更高时 ,电纺丝过程中已观察不 到液滴喷洒现象 ,产品形态为单一的纤维结构.
随着醋酸纤维素溶液浓度从 8%增大到 10% ,纤维直径从 300 nm 增大到 400 nm、600 nm. 这是因为随着醋酸纤维素溶液浓度的增大 ,电场 力拉伸液滴时所要克服液滴的表面张力变大 ,很 难分裂成更多更细的细流 ,最终使纤维的直径增 加 ;同时 ,随着醋酸纤维素溶液浓度的增大 ,聚合 物溶液黏度也增高 ,溶液流动性降低 ,加剧了喷头 堵塞. 因此 ,为得较细的纤维 ,醋酸纤维素溶液浓 度应尽可能小. 3. 4 接收距离的影响
将纺丝溶液注入注射器中 ,调节静电纺丝的 基本参量 ,对纺丝溶液进行电纺. 2. 2. 3 形态结构测试
用 KYKY1000B 扫描电镜观察纤维的形态.
b HF IP溶剂 (1 000倍 )
图 2 不同溶剂的电镜扫描图
由图 2可见 :以 FA 为溶剂进行电纺是不能制 备纳米纤维的 ,而以 HF IP为溶剂则可以得纳米尺 寸为 500 nm左右的纤维单丝 ,且纤维的数量较多. 3. 2 电压的影响
4 结 论
(1) 以 HF IP为溶剂 ,当纺丝液浓度为 8%、电 压为 15～20 kV、接收版距离为 16 cm 时 ,可以静电 纺丝制得直径 300 nm的醋酸纤维素纳米纤维.
(2) 在本实验设定的静电纺丝的基本参量范 围内 ,醋酸纤维素溶液的浓度越大 ,纤维直径越 大 ;接收距离越大 ,纤维直径也越大 ,而且容易产 生纺锤状纤维 ;电压越大 ,纤维直径越小.
Abstract: Electrosp inning is a p rocessing technology, using polym er solution or melt under a strong electric field, which is also a simp le and effective technology to develop nanom eter fiber materials. In this paper, we used hexafluoroisop ropanol and form ic acid as the solvent, to exp lore the influencing factors of using electro2 sp inning to p repare the nano2fiber of cellulose acetate, and studied on how solvent, voltage, concentration and deposition distance impact on the morphology and diameter of nano2fiber. The results of the study show that: HF IP as solvent, when the sp inning of the concentration is 8 percent, the voltage is 15 - 20 kV , and deposition distance is 16 cm , we could obtain the gelatin nano2fibers w ith the D iameter of 300 nanometer p repared by electrosp inning. In this experiment, under the range of the setting basic parameters of electrosp inning, the larger concentration of the cellulose acetate, the bigger the diam eter of fiber; the longer the deposition distance, the bigger diameter of the fiber and is easy to p roduce the sp indle2shaped fiber; the greater voltage, the sm aller the diameter of fiber. Key words: cellulose acetate; electrosp inning; nanofibres
参考文献 :
[ 1 ] 刘 芸 ,戴礼兴. 静电纺丝纤维形态及其主要影响 因素 [ J ]. 合成技术及应用 , 2005, (1) : 26 - 27.
[ 2 ] 袁哓燕 ,董存海 ,赵 瑾 ,等. 静电纺丝制备生物可 降解性聚合物超细纤维 [ J ]. 天津大学学报 , 2003 (6) : 707 - 709.
图 1 静电纺丝装备示意图
已有研究表明 [ 4 ] ,电纺聚合物纤维的直径和 均一性依赖于许多电纺过程参数. 静电纺丝的基 本参量主要包括 : ① 施加的电场强度 ( kV / cm ) , 当纺丝机构型固定时 ,它与施加的静电电压 (V ) 成正比. ② 电纺流体的流动速率 ,当喷丝头孔径
收稿日期 : 2008 - 06 - 23 作者简介 :李增富 (1970 - ) ,男 ,福建清流人 ,三明学院讲师 ,主要从事纳米纤维和生物能源方面的研究.
静电纺丝法制备醋酸纤维素纳米纤维
李增富
(三明学院 化学与生物工程系 ,福建 三明 365004)
摘要 : 静电纺丝是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺 ,是一 项制备纳米级纤维材料简单有效的技术. 本文以六氟异丙醇和甲酸为溶剂 ,对静电纺丝制备醋酸纤维素 纳米纤维的影响因素进行探讨 ,研究溶剂 、电压 、浓度及接收距离对纳米纤维形貌和直径的影响. 研究结 果表明 :以六氟异丙醇 (HF IP)为溶剂 ,当纺丝液浓度为 8%、电压为 15～20 kV、接收版距离为 16 cm 时 , 可以静电纺丝制得直径 300 nm的明胶纳米纤维. 在本实验设定的静电纺丝基本参量范围内 ,醋酸纤维 素溶液的浓度越大 ,纤维直径越大 ;接收距离越大 ,纤维直径也越大 ,而且容易产生纺锤状纤维 ;电压越 大 ,纤维直径越小. 关 键 词 : 醋酸纤维素 ;静电纺丝 ;纳米纤维 中图分类号 : TQ 341. 9 文献标识码 : A
1 静电纺丝简介
静电纺丝是获得纳米纤维的一项简便技术. 如图 1所示 ,它利用电场作用 ,迫使聚合物溶液通 过一个小孔挤出 ,在电场力作用下 ,处于纺丝喷头 的聚合物溶液或熔体液滴 ,克服自身的表面张力 而形成带电细流 ,在喷射过程中细流分裂多次 ,经 溶剂挥发或固化后而形成超细纤维 ,最终被收集 在接收屏上 ,形成非织造超细纤维膜.
电纺丝 ( Electrosp inning) 是一种利用聚合物 溶液或熔体在强电场中的喷射作用进行纺丝加工 的工艺. 近年来 ,电纺丝作为一种可制备超细纤维 的新型加工方法 ,引起了广泛的关注. 由于静电纺 丝所得到的纤维比常规方法得到的纤维细度小 , 所以其非织造膜具有超高的特异性比表面积和孔 隙率 ,可用于增强聚合物纳米复合材料 、过滤膜 材 、功能性织物保护涂层 、传感器 、纳米模板和生 物医用材料等 [ 1, 2 ]. 目前国外对电纺丝的研究发 展迅速 ,成果也非常多. 而国内的相关研究正处于 起步阶段.
Prepra tion of Cellulose Aceta te Nanof ibres w ith Sta tic Electr ic ity Sp inn ing
L I Zheng2fu
(Department of Chem istry and B iology Engineering, Sanm ing University, Sanm ing 365004, China)
由于电场强度等于电势差与接收距离之比 , 接收距离也会影响电场强度 ,从而影响电纺纤维 的产品形态. 实验中 ,以 HF IP 为溶剂 ,在纺丝液 浓度为 8%、电压为 20 kV 的条件下 ,改变接收距 离进行纺丝 ,醋酸纤维素的纤维形态电镜扫描图 如图 5所示.
a 10%浓度 (8 000倍 )
3 结果与讨论
3. 1 溶剂的影响 在纺丝液浓度为 8%、接收距离为 19 cm、电
压为 10 kV 的条件下 ,考察不同溶剂对电纺的影 响. 分别以 FA 和 HF IP为溶剂进行静电纺丝 ,醋 酸纤维素纤维形态电镜扫描图如图 2所示.
a电压 20 kV (8 000倍 )
a FA 溶剂 (8 000倍 )
b电压 15 kV (8 000倍 )
第 4期
李增富 :静电纺丝法制Hale Waihona Puke Baidu醋酸纤维素纳米纤维
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c电压 10 kV (8 000倍 )
图 3 不同电压的电镜扫描图
3. 3 浓度的影响 浓度是控制纤维形态最有效的参数之一. 固
定电压为 20 kV、接收距离为 16 cm ,不同浓度醋 酸纤维素 /HF IP溶液制备的纤维形态电镜扫描图 如图 4所示.
第 25卷 第 4期
2008年 8月
吉 林 化 工 学 院 学 报 JOURNAL OF J IL IN INSTITUTE OF CHEM ICAL TECHNOLOGY
Vol. 25 No. 4 Aug. 2008
文章编号 : 100722853 (2008) 0420019204
[ 4 ] 吴大诚 ,杜仲良. 高绪珊. 纳米纤维 [M ]. 北京 :化学 工业出版社 , 2003. 56 - 57.
[ 5 ] J. DOSH I, D. H. RENEKER. Electrosp inning Process and App lication of Electrospun Fibers [ J ]. Journal of Electrostatics, 1995, (35) : 151 - 160.
以 HF IP为溶剂 ,在纺丝液浓度为 8%、接收 距离为 16 cm 条件下 ,不同电压下的醋酸纤维素 纤维形态电镜扫描图如图 3所示.
实验发现 :开始施加电压时 ,喷丝头顶部的微 滴形状逐渐变长 ,达到一个临界电压值时形成纤 维喷出. 如图 3 所示 : 当电压为 20 kV 和 15 kV 时 ,纤维直径为 300 nm;当电压为 10 kV 时 ,纤维 直径为 500 nm. 可见 ,电压越大 ,所得纤维的直径 越小 ,这是因为电压越大 ,液滴所受的电场力越 大 ,越容易克服液滴的表面张力 ,使液滴的分裂能 力越强 ,故所得纤维直径则越小.
b 9%浓度 (8 000倍 )
a接收距离 16 cm
c 8%浓度 (8 000倍 ) 图 4 不同浓度的电镜扫描图
b接收距离 19 cm 图 5 不同接收距离的电镜扫描图
由图 5可见 :当接收距离从 16 cm 增加到 19 cm ,醋酸纤维素纤维的直径从 300 nm 增加到 600
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纤维素是地球上最丰富的多糖化合物 ,广泛 存在于自然界. 纤维素不溶于水 ,但溶于浓盐酸和 浓硫酸. 纤维素酯是天然聚合物的衍生物 ,其溶液 或熔体易被加工成膜和纤维 ,关于纤维素电子纺 丝的报道较少 [ 3 ] .
本文以醋酸纤维素为原料 ,以六氟异丙醇和 甲酸为溶剂 ,对纳米纤维的静电纺丝形成过程和 影响因素进行探讨 ,研究不同溶剂 、施加的电压 、 浓度及喷丝头与收集板之间的距离对纳米纤维形 貌和直径的影响.
2 实验部分
2. 1 原料和实验装置 醋酸 纤 维 素 、六 氟 异 丙 醇 ( HF IP ) 和 甲 酸
( FA )等均为化学纯. 静电纺丝装置 ,自组装.
2. 2 实验方法 2. 2. 1 纺丝溶液的制备
称取一定量的醋酸纤维素于六氟异丙醇或甲 酸溶剂中 ,磁力搅拌 12 h,配制纺丝溶液. 2. 2. 2 静电纺丝