静电纺丝方法在超细腈纶开发中的应用.doc

静电纺丝方法在超细腈纶开发中的应用葛雅婕（大庆石化公司腈纶厂163714）摘要：概述了静电纺丝技术的发展、工作原理及主要影响因素。介绍了用静电纺丝方法生产聚丙烯腈超细纤维的实验方法及影响因素。同时也介绍新型静电纺丝技术和设备，希望能用于静电纺丝方法生产聚丙烯腈超细纤维的开发过程。关键词：静电纺丝超细纤维聚丙烯腈喷嘴电极浓度电压1静电纺丝技术发展1934年美国人Formalasll申请了专利，发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置。1971用聚丙烯酸酯聚合物溶液在静电场中成功地试纺出丝束，制得直径为0.05～1.1μm的丙烯酸纤维。1981年在没有机械力的作用下，将聚乙烯和聚丙烯熔体电纺成连续纤维。1994年，“电纺”代替“静电纺丝”，成为专业术语和一个独立的学术领域，开始了它在纳米技术及与此相关的生物工程等领域的研究和发展。在我国，大约从2002年左右开始，清华大学、东南大学、东华大学、吉林大学、天津大学、苏州大学和中科院长春应化所、北京中科院化学所等各大高校及科研院所，也陆续开始了对这项技术的研究和探索[1]。近年来，关于电纺过程和表征电纺纳米纤维方面的研究进展较快，纳米纤维的形态范围从高度取向态结晶纳米纤维，扩展到具有很高比表面积的多孔的纳米纤维。目前，美国和韩国在静电纺丝法制纳米纤维的研究及应用上处于领先地位，未来静电纺丝的趋势是不用溶剂，从熔融状态直接纺丝[2]。2静电纺丝原理及其影响因素2.1静电纺丝原理静电纺丝方法是一种利用静电力生产聚合物细丝的装置，其主要原理是利用高压静电场激发聚合物的带电射流，使射流固化得到聚合物的超细或纳米纤维，平均直径范围一般在几微米至几十纳米之间。由于该技术纺成的纤维具有直径超小、比表面积巨大等优势，使其应用前景文泛。目前电纺丝技术虽然有了很大的发展，但其基本原理不变。最基本的电纺丝装置包括：直流高压源、贮液装置、喷丝头和收集装置。直流高压源提供产生聚合物射流的高压电场，电场的两极分别连接喷丝头和收集装置，贮存在贮液装置中的聚合物溶液从喷丝头中流出形成液滴，液滴在电场中表面积聚电荷，受静电力拉伸而形成锥形结构，也称为泰勒锥。一旦静电力突破表面张力，射流就会从泰勒锥的尖端被激发出来，在空气中急速振荡和甩动，不断拉伸细化，同时溶剂挥发，射流固化，最终沉降在收集装置上得到超细纤维。一般采用聚合物溶液加工纤维，但也有用聚合物的熔融体的尝试，它需要一个真空环境使得熔融体固化形成纤维。电纺丝涉及电流体力学知识，在加工过程中，影响纳米纤维形成的因素很多，一般包括：溶液性质如黏度、弹性、导电性及表面张力；控制变量如毛细管中的流体静压、毛细管尖端的静电压、问距(从尖端到收集屏的距离)；环境参数，如溶液温度、湿度、电纺丝操作室中的空气流速等。研究发现，用静电纺丝方法生产的超细纤维的纤维直径与聚合物的特性黏度和溶液浓度之间的关系是纤维直径D与聚合物的特性黏度η和溶液浓度C之积的B次乘幂，即：D=A(ηC)B[2]，式中：A和B为常数。还有研究认为：只要不涉及到分裂，则溶液粘度是影响纳米纤维直径的最重要因素之一。粘度越高，纤维直径越大，纤维直径随溶液浓度成指数增加。进一步发现纤维直径与聚合物溶液浓度的立方成正比。另外，对纤维直径有明显影响的参数是所施加的电压。所施电压越高，射流中射出的流体越多，纤维直径越大。2.2静电纺丝效果的影响因素影响静电纺丝效果的因素有聚合物的分子量、聚合物的结构、聚合物溶液的浓度、溶剂溶液的表面张力和导电性、静电纺丝装置及环境情况。重均分子质量在10万以上，适合制成超细或纳米纤维，聚合物的分子量低时，因为不利于聚合物分子之间在溶液中的络合；结晶性聚合物适用静电纺丝法纺制纤维，因为结晶性聚合物分子链刚直，容易取向，而且纤维无需后拉伸；聚合物溶液的质量百分浓度为5％～10％适于静电纺丝，聚合物溶液浓度过低时，喷出雾状，形成粒子，相反，浓度过高，难以从喷嘴喷出；溶剂必须能完全溶解聚合物，溶胀及凝胶的静电纺丝困难，溶剂的蒸发速度是重要因素。现常用混合溶剂的方法解决单一溶剂蒸发速度过快或过慢的弱点；用水作为溶剂时，比有机溶剂表面张力大，因而有时不能制得纳米纤维，但要混和少量的表面活性剂来加以解决；溶液的导电性直接影响纤维直径，有报道称聚合物中溶液混合少量的氯化锂，可以提高溶液的导电性，有利于制成纳米纤维；此外，静电纺丝装置，最初发明的铜板等接收表面静电纺聚合物溶液，可制得纳米纤维的非织造布，但难以制得均匀的非织造布。现在已开发出卷绕型装置，可制成均匀的纳米纤维，非织造布注射器可沿滚筒表面移动。滚筒的转速由低速到高速可自由调节，因而可拉伸纳米纤维，用定量泵、柱塞型注射器泵代替注射器，可使溶液定量挤出，确保纤维纤度均匀。3