醋酸纤维素高压静电纺丝

实验三醋酸纤维素高压静电纺丝

1. 实验目的

（1）通过本实验了解静电纺丝的工作原理，及其哪些聚合物可以通过静电纺丝技术制备。（2）了解静电纺丝技术制备纳米纤维中的影响因素，如温度、浓度、表面张力、电压、供料速度和收集板间距等条件的影响。

2．实验原理

(1) 工作原理

静电纺丝纳米纤维的首个专利在1934年被报道后，直到二十世纪中期该纳米技术的潜在应用前景才受到各领域的广泛关注。与无机纳米棒、碳纳米管和纳米金属线不同，静电纺丝技术对于有效地控制纤维的排布和二维、三维纳米纤维的制备有独特的潜在价值。与自下而上的生产方法相比，自上而下的生产纳米材料的最大优点是低成本。通常，这种工艺生产的纳米纤维还具有取向分布均匀和无需昂贵净化费用的特点。

静电纺丝的基本装置由三部分组成：高压电源、注射器（带有小直径针头）和收集装置，如图1所示。高压电源主要是使纺丝液形成带电喷射流，注射器是为纺丝提供供料，而大多数的收集装置是带有铝箔纸滚筒收集装置。高压电源的一极接在注射器的针头上，另一极接在收集装置上。纺丝液在泵的推力作用下被挤出。带电喷射流无规则收集到铝箔纸上，形成无纺布。

静电纺丝的基本原理是：聚合物纺丝液在电场力的作用下，由于聚合物表面张力作用，在注射器的针头上会产生一个圆锥形的纺丝液滴（称之为Taylor锥），当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor锥中被拉伸出来。在丝的形成过程中，带电的喷射流由于不稳定被拉伸，变的越来越细，于此同时大部分的溶剂挥发。纳米纤维被无规地收集在收集板上形成纤维膜结构。

图 1 静电纺丝装置示意图

(2) 静电纺丝基本参数及其对纤维形貌的影响

目前，静电纺丝主要包括熔融静电纺丝和溶液静电纺丝两种。与溶液静电纺丝不同的是熔融静电纺丝是使聚合物在高温条件下熔融，然后在电场力作用下被拉伸成丝，纺丝大部分是在真空条件下进行的。熔融静电纺丝所得纤维直径比较粗，甚至有达到几个微米，且目前只有极少聚合物被纺丝成功。然而目前已通过溶液静电纺丝制备直径从小于3 nm到1 μm 的上百种聚合物纤维。本论文讨论的都是溶液静电纺丝。

溶液性质对静电纺丝纤维形貌和直径的影响因素主要包括以下三个方面：

①聚合物分子量

聚合物分子量对聚合物溶液的流变性和电性能，如粘度、表面张力、电导率和介电常数等有重要影响。这些特性都可以影响纤维的形貌和结构。McKee等人报道，只有当聚合物的分子量大于缠结分子量时，聚合物才可以通过静电纺丝制得纳米纤维。Gupta等人合成了一系列分子量的甲基丙烯酸甲酯（PMMA），他们发现随着PMMA分子量的增大，纺丝纤维的珠子（bead）明显减少。如果PMMA浓度低，但是分子量分布窄，同样可以得到均一纳米纤维。

②高分子溶液的浓度和粘度

静电纺丝过程中，溶液的浓度和粘度是影响纤维形貌和直径最关键因素之一。例如，Reneker把聚环氧乙烷（PEO）溶解在水和乙醇的混合溶液中进行纺丝，发现纺丝液的粘度在1-20 泊时，比较适合于纺丝。当纺丝液的粘度大于20 泊时，由于纺丝液内聚能比较大，纺丝喷射流不稳定，而不能进行静电纺丝。相反的粘度比较低（小于1泊）时，只能形成液滴而不能形成喷射流即不能成丝。

③表面张力

当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor 锥中被拉伸出来。喷射流如果经不住表面张力和电场力的作用，则散开成珠状结构。所以表面张力是影响电纺纤维形貌的因素之一。Liu等人在醋酸纤维素（CA）静电纺丝中发现，CA不能在DMAc溶液中纺出纤维，但是在DMAc溶剂中加入一定量的丙酮后，溶液的纺丝能力大大改善。主要是因为加入了丙酮可以降低溶液的表面张力。

纺丝参数对纺丝影响

①纺丝电压和电场强度

当电场力大于喷丝口处纺丝液滴（Taylor锥）的表面张力时，带电的纺丝液就会从Taylor 锥中被拉伸出来。通过激光衍射观察，增大电压产生的粗射流最后会分散为许多小射流。例如，Geng等人在电纺脱乙酰壳聚糖时发现增大纺丝电压纤维直径变细，但是在纤维表面却出现了很多缺陷。主要因为电压大，纤维受到的拉力也大。电压继续增大时虽然纤维直径继续减小，但是电压过高使喷射流不稳定出现了珠串纤维。粘胶纤维功能的仿真丝聚合物的直径也随电压的增大而减小。

②喷丝口

采用同轴共纺丝可以得到壳（Shell）/核（Core）复合纳米纤维、有机/无机复合纳米纤维和中空无机纳米纤维。如果喷射口并排，可以得到并排结构复合纳米纤维。为了提高纺丝效率，Dosunmu采用多喷射头纺制尼龙-6纤维，其纺丝效率为单根喷射头的250倍。

③喷丝头与收集板间距

喷丝头与收集板间距改变也会影响纤维的形貌。喷丝头与收集板间的最小距离为喷射流在到达收集板前有足够的时间挥发溶剂。间距过大或过小都会形成珠串纤维。例如，Zussman 等人对尼龙-6的纺丝过程发现，较近的接受距离会产生“潮湿”的纤维或“念珠状”纤维。3．实验设备用原料

原料：醋酸纤维素（CA）取代度为2.45，重均分子量为3.0×104，购自sigma-aldrich公司。N,N-二甲基乙酰胺，丙酮，上海国药试剂厂。

仪器：微量注射泵：TS2-60型，保定兰格恒流泵有限公司；高压电源：DW-P303-IAC，天津东文高压电源厂。

4．实验步骤

如示意图1，5 mL CA/DMAc/丙酮溶液装入内径为16 mm针管（CA的浓度为25%，DMAc：丙酮=1:2 v/v）。喷丝口内径为0.84 mm（规格18）的不锈钢针头。把注射器固定在注射泵上，电极的一端夹住针头，另一端连接高压电源（DW-P303-IAC, 天津东文高压电源厂），接地电极与收集板（铝箔）相连。纺丝参数：电压8 kV，针头与收集板间距15 cm，

供料速度10 μL/min由注射泵控制（TS2-60型，保定兰格恒流泵有限公司）。制得的纳米纤维膜于80 o C下真空干燥10h，除去残余溶剂。并用光学显微镜观察纤维形貌。

5．实验报告

（1）记录实验过程中溶液的配制，及其所用的参数，如电压、收集板间距、供料速度等。（2）观察纤维的形貌特征，并描述。

（3）讨论

①结合实验结果、总结静电纺丝的影响因素。

②怎样控制实验参数制备均匀无珠的纤维。

6．注意事项

（1）高压静电纺丝过程中手不得接触针头，以免触电。

（2）如果纺丝头方向堵塞，应停止纺丝，待针头通顺以后再行纺丝。不可强制挤出，以免烧坏纺丝泵。

7．思考题

（1）影响纺丝过程的因素有哪些，且是如何影响的？

（2）静电纺丝的纺丝原理及其过程如何？