PVA静电纺丝工艺优化研究.pdf

合成纤维工业，2023,46(1):15CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY研究与开发PVA静电纺丝工艺优化研究于川力王经逸心*,贾红兵1,陈晓玲2,陈力群彳收稿日期=2022-07-19；修改稿收到日期=2022-12-080 作者简介:于川力(1997),男，硕士研究生，主要从事纳 米纤维研究。E-ma il：3549879327 q q.c o mo 基金项目：黎明职业大学科研基金(LMTD 202103,LMP T 202101)o*通信联系人。E-ma il:wa n g jin g yi_q z vip.163.c o m0(1.南京理工大学化学与化工学院，江苏南京210094；2.黎明职业大学新材料与鞋服工程学院,福建泉州362000；3.泉州海天材料科技股份有限公司，福建泉州362005)摘 要：以聚乙烯醇(P VA)为原料、去离子水为溶剂，通过静电纺丝制备P VA纳米纤维膜，利用正交实验探 讨静电纺丝过程中纺丝液P VA浓度、纺丝距离、纺丝电压和注射速度对P VA纳米纤维膜形貌及纤维直径的 影响，得出制备纤维膜的较佳工艺条件，并分析了纺丝液P VA浓度对纤维膜的力学性能和亲水性能的影响。结果表明:随着纺丝液P VA浓度的增加,P VA纤维的直径逐步变小，直径分布变窄；当纺丝液P VA质量分数 为7%、纺丝电压为14 k V、纺丝距离为14 c m、注射速度为0.5 mL/h时，纤维膜的纤维直径最小，为203 n m；正交实验中P VA浓度、纺丝电压、纺丝距离、注射速度4个因素的极差值分别为87.00,49.67,1&33,11.67；纺丝液P VA质量分数从5%增加到7%,纤维膜的断裂强度从2.21 MP a提高至2.81 MP a,断裂伸长率从 31.63%提高至56.39%,水接触角从37.7。提高至48.7。关键词：聚乙烯醇纤维静电纺丝纳米纤维膜正交实验工艺优化中图分类号:TQ342+.41 文献标识码:A 文章编号:1001-0041(2023)01-0015-04静电纺丝能够直接连续制备纳米纤维,形成 纤维膜，具有纺膜简单、应用范围广和成膜性能稳 定等优点，该技术适用材料广、操作简单和灵活性 强。聚乙烯醇(P VA)是一种水溶性高分子聚 合物，具有良好的可纺性、可降解性、无毒性和物 理机械性能,通过静电纺丝制备的P VA纳米纤维 在组织工程支架等方面有着广泛应用。近年来,P VA静电纺丝制纳米纤维膜成为了研究热点,崔 莉等利用静电纺丝制备了 P VA/海藻酸钠复合 纳米纤维膜，结果表明，随着P VA浓度的增加，混 合纺丝液黏度、表面张力与电导率降低，可纺性提 高,当海藻酸钠与P VA质量比在1/9 5/5时,可 得到形貌较好的纤维。U.HABIBA等采用静 电纺丝法制备了壳聚糖/P VA/沸石纳米纤维膜,发现在较低P VA浓度下，纳米纤维膜对辂、铁、镰 等离子的吸附率达到99%以上，经过5次脱附-吸 附循环后，纤维膜对重金属离子的吸附能力几乎 没有变化。WEN P等制备了平均宜径为(24040)n m的P VA/肉桂油/0-环糊精纤维膜,纤维膜可以大大延长草莓的保鲜时间。但是，这 些研究的重点是对P VA进行功能化提升，而对 P VA纤维纺丝工艺及其对微观结构和力学性能 的影响描述较少。合适的纺丝工艺是实现纤维膜纳米化和功能 化的重要基础。作者以P VA为原料、去离子水为 溶剂,采用静电纺丝法制备P VA纳米纤维膜，利 用正交实验研究了纺丝液P VA浓度、纺丝距离、纺丝电压和注射速度等工艺参数对P VA纳米纤 维膜形貌的影响，得出制备纳米纤维膜的较佳工 艺条件，并分析了纺丝液P VA浓度对纤维膜的力 学性能和亲水性能的影响。1实验1.1主要原料PVA：重均相对分子质量(Mw)约195 000,醇 解度99%,上海迈瑞尔生化科技有限公司产；十 二烷基硫酸钠(SDS)：分析纯，上海麦克林生化科 技有限公司产。1.2主要设备及仪器HZ-10静电纺丝机:青岛诺康环保科技有限 公司制；AIS2100扫描电子显微镜:韩国世伦科技 株式会社制；CMT-424万能电子试验机:深圳三 思设备有限公司制;SL200B水接触角测试仪:上 海棱伦信息科技有限公司制;BSA223S电子天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司制。16合成纤维工业2023年第46卷1.3 PVA纳米纤维膜的制备本实验以纺丝液P VA浓度、纺丝电压、纺丝 距离和注射速度4个因素进行3水平实验，表1 为水平因素表，表2为正交实验表L,根据正交 实验方案,在室温25 CC、相对湿度55%的环境条 件下，称取适量P VA和SDS,加入去离子水，于 95 CC油浴锅搅拌2 h,静置3 h消泡，得到P VA纺 丝液;使用针头直径（0.600.01）mm的注射器抽 取纺丝液10 mL,置于微量注射泵上，将铝箔纸放 置在平板收集器上,将收集器与高压电源负极相 连，开启纺丝设备进行纺丝，在铝箔纸上获得 P VA纳米纤维膜试样。表1正交实验因素及水平Tab.1 Orthogonal experimental factors and level水平P VA质量 分敷纺丝电压/k V纺丝距离/c m注射速ft/(mL-h 1)1510140.52612160.73714180.9表2正交实验表Tab.2 Orthogonal experiments试样P VA质量 分敷纺丝电压/k V纺丝距离/c m注射速度/(mL-h 1)1#510140.52#512160.73#514180.94#610160.95#612180.56#614140.77#710180.78#712160.99#714140.51.4分析与测试微观形貌:将纳米纤维膜裁成2 mmX3 mm,依次贴到试样平台上,喷金后,用扫描电子显微镜（SEM）进行观察，放大倍数为10 000 o孔隙率（）：剪取1块矩形P AN纳米纤维 膜，测量长宽厚，并计算其体积。利用分析天平测 量干态质量计算得到表观密度（p表）。根据P VA 标准密度（p标）为1.31 g/c n?,按式（1）计算P AN 纳米纤维膜的&。s s=1-xioo%（1）P标力学性能:将纳米纤维膜裁成1 c mX5 c m的 样条，在CMT-424万能电子试验机上进行应力-应变测试，拉伸速度为20 mm/min。水接触角:室温下，在纤维膜上滴定一定量的 水滴，利用SL200B水接触角测试仪测试纳米纤 维膜的水接触角。2结果与讨论2.1微观形貌从图1可以看出：纺丝液P VA质量分数为 5%时、2P试样），不论电压、纺距和注射速 度如何变化,得到的纤维膜中纤维粗细分布不均 匀,纤维之间存在缠结,表面较为粗糙，存在突起,而且单根纤维之间排列疏松,空隙较大，这可能是 因为纺丝液P VA浓度过低,纺丝过程中纺丝液黏 度没有达到能形成粗细均匀的纳米纤维的条 件；当纺丝液P VA质量分数为6%时,5仁6#试 样的纤维直径明显变小,粗细分布也更为均匀，这 可能是因为该P VA浓度的纺丝液黏度基本能符 合静电纺丝的射流条件;与4#试样（图Id）相比,5#试样（图le）的纺丝电压大，纺丝距离远，注射 速度小,所形成的纤维直径更小,纤维之间更加紧 密，但是与宁试样相比,6试样（图If）的纤维直 径更小，这是因为较高的纺丝电压导致射流出来 的纤维受到更强的静电力,从而形成的纤维直径 更小，此外，高电压还会扯断P VA射流,从而形成 串珠状球体（图If）；当纺丝液P VA质量分数达 到7%时（789#试样）,P VA纤维的粗细比较 均匀,这是因为纺丝液黏度能承载静电场的拉伸 与延展，从而形成了光滑、直径均匀的纤维。1 试样 h.M试择 F试样S.T试样h.护试样i.9锁样图1 P VA纳米纤维膜的SEM照片Fig.1 SEM ima g es o f P VA n a n o fiber membr a n es从表3可以看出：当纺丝液P VA质量分数为5%时，广、2*、3*试样的&为85%-93%；随着纺丝 第1期于川力等.P VA静电纺丝工艺优化研究17液P VA浓度的增加，纤维膜的e逐渐下降，当纺 丝液P VA质量分数为6%时,456#纤维膜试 样的&为69.75%71,13%,当纺丝液P VA质量 分数为7%时,7 8 9#纤维膜试样的为 55.89%57.63%。这表明纤维膜的&主要与纺 丝液的P VA浓度有关。当纺丝液P VA浓度过低 时，低黏度的纺丝液在纺丝过程中容易出现较大 的纤维缠结,某个地方缠结会使多个纤维集中于 一点，造成附近纤维的大空隙出现;随P VA浓度 增加,纤维的分布较为均匀，缠结基本不会出现,纤维的空隙减少。利用Ima g e J软件随机选取 用于SEM测试的各试样中的99根纤维，测量纤 维直径得到各试样的纤维直径分布。从表4可以 看出：当纺丝液P VA质量分数为5%时,123#试样的纤维宜径分布较广,纤维平均直径分别为 327,358,308n m,纤维平均直径较大；当纺丝液平均表4 PVA纳米纤维膜的纤维直径分布Tab.4 Fiber diameter distribution of PVA nanofiber membranes直径分布占比/%少4十0 100 n m00 200 n m200 300 n m300 400 n m400 500 n m500 600 n m600 700 n m直径/r n n1#014362713343272#07422210773583#01049249603084#0196990002335#0256761002346#1957245302807#01358233202758#01356173002549#153404100203能和亲水性能的影响。2.2正交实验结果分析以纤维平均宜径为权重，通过SP SSAU分析 软件对正交实验结果进行极差分析，得到相关因 子及其水平对纤维平均直径的影响。从表5可 知:纺丝液P VA浓度、纺丝电压、纺丝距离、注射 速度4个因素的极差值(7?)分别为87.00,49.67,1&33,11.67,这说明在静电纺丝过程中P VA浓 度的影响最大，上述因素的影响大小依次为P VA 浓度、纺丝电压、纺丝距离、注射速度;各因素最佳 水平分别是纺丝液P VA质量分数为7%、纺丝电 压为14 k V、纺丝距离为14 c m、注射速度为0.5 mL/h,在此条件下纺制的纤维直径最小，为203 n m。因此，在后续讨论中以纺丝液P VA浓度为 主要研究因素，将其他工艺参数即纺丝电压、纺丝 距离和注射速度分别固定在14 k V、14 c m和0.5 mL/h,研究纺丝液P VA浓度对纤维膜的力学性 P VA质量分数为6%时,牢、5*、6#试样的纤维直径 分布主要集中在200-300 n m,纤维平均直径分别 为233,234,280 n m；当纺丝液P VA质量分数达到 7%时了、計、9*试样的纤维分布宜径也较窄扮布 比较符合正态分布，纤维平均直径分别为275,254,203 n mo表3 PVA纳米纤维膜的Tab.3 e of PVA nanofiber membranes试样s/%1#85.562#89.223#92.794*69.755#74.376#71.137*57.638#59.409#55.89表5正交实验结果Tab.5 Orthogonal experimental results因素水平平均直径/n m5.0331.00P VA质量 分游6.0249.007.0244.0010.0278.33纺丝 距离/c m12.0282.0014.0263.670.5254.67注射速度/(mL h-1)0.7304.330.9265.0014.0270.00纺丝 电压/k V16.0281.6718.0272.33最佳水平7.014.00.514.0R87.0018.3311.6749.6718合成纤维工业2023年第46卷2.3力