PVA纳米纤维膜的制备及微观形貌研究

何晓伟,张朝奎,刘红燕,陈 燕,潘 玮

(中原工学院,郑州 450007)

PVA纳米纤维膜的制备及微观形貌研究

何晓伟,张朝奎,刘红燕,陈 燕,潘 玮

(中原工学院,郑州 450007)

应用静电纺丝法制备了表面光滑平整、纤维细度均匀的PVA纳米纤维膜.采用扫描电镜观察方法,研究了溶液浓度、电压强度、注射速度、接收距离对纤维微观形貌的影响,得到了PVA溶液静电纺丝比较合适的工艺参数:溶液浓度8%,电压强度16 kV,注射速度0.020 m l/min,接收距离15 cm.

PVA;静电纺丝;工艺参数;微观形貌

聚乙烯醇(PVA)具有良好的化学稳定性和物理机械性能,常作为粘合剂应用于涂料、纸品加工等领域;也因其良好的生物相容性和可降解性,作为生物材料广泛应用.

研究静电纺丝法制备PVA纳米纤维的研究者很多,关于这方面的报道也层出不穷,但主要集中在对不同牌号PVA的可纺性[1]、静电纺丝工艺参数[2]以及利用PVA复合纤维制造无机纳米纤维[3]等几个方面.由于静电纺丝产品对环境以及设备有较高的要求,因此静电纺丝的工艺参数需要不断探索.本文在相同的温度和湿度条件下讨论了影响静电纺丝工艺的4个参数,最终选出了比较合适的工艺参数.

1 实 验

1.1 实验材料

PVA:平均聚合度1 750±50,天津市大茂化学试剂厂生产;

冰乙酸:分析纯级,天津市福晨化学试剂厂生产.

1.2 实验过程

将一定质量的PVA溶于含有3%冰乙酸的去离子水中,室温溶胀1 h,然后90℃回流搅拌1 h至溶解.配制质量分数为 6%、7%、8%、9%、11%、13%的PVA水溶液.

在温度20℃、湿度60%条件下,采用控制变量法和优选法依次得到不同溶液浓度、不同电压强度、不同接收距离、不同注射速度条件下的纤维膜,然后对纤维膜进行扫描电镜观察.

1.3 测试与表征

用LVDV—E型数显粘度计(天津德盟设备公司)测出PVA溶液的粘度;用DDS—320型电导率仪(上海越凰设备有限公司)测得 PVA溶液的电导率;纳米纤维膜的微观形貌用JSM—6360型、JSM—6330型(日本电子公司)扫描电子显微镜观察.

2 结果与讨论

2.1 浓度对纤维形貌的影响

图 1中 a、b、c、d、e、f分别是 6%、7%、8%、9%、11%、13%的 PVA溶液在 16 kV的电压强度、0.010 m l/min的注射速度、15 cm的接收距离条件下进行静电纺丝所得纤维膜的扫描电镜照片.由图1可以看出:当溶液溶度较小(＜8%)时,有大量串珠存在,纤维像是带有串珠的项链.随着溶液浓度的增加,珠滴数量减小,但是浓度增加到11%时串珠又开始大量出现.由图1c可以直观地看出纤维直径较为均匀,所以本实验选取8%的PVA溶液作为静电纺丝液.

图1 不同浓度的PVA溶液的静电纺丝纤维SEM照片

溶液浓度是影响纳米纤维形态的重要因素,它主要是通过粘度和电导率来影响纤维形态的.当溶液浓度小于8%时,电导率的变化不大,影响纤维可纺性的主要因素是粘度(见表1).由于粘度较小(＜8%),从喷丝口喷出的溶液难以形成持续的细流,在电场中不能被完全拉伸,形成串珠状纤维(见图1a、图1b).随着浓度的增加,粘度和电导率都有所增加(8%～9%).溶液增大,粘度增大,在电场中能够形成持续细流,而被拉伸成丝,然后经不对称鞭动,丝分裂成更细的丝,落到接收板上.溶液浓度继续增大(＞9%),其粘度和电导率都有激增的趋势(见表1).由于浓度增大,粘度增大,电荷密度增大,喷丝口喷出的细流被拉伸,形成丝,丝所受电场力增大,在电场中不对称鞭动频率增加,但是由于粘度较大,丝劈裂困难造成粗细不均现象(见图1f).另外,由于电荷密度较大,细流在电场中坠落时间变短,未拉伸完全就已到达接收板,导致串珠的出现(见图1e).

表1 不同浓度的PVA溶液在20℃时的粘度和电导率

2.2 电压强度对纤维形貌的影响

图2所示是8%的PVA溶液在0.010 m l/min的注射速度、15 cm的接收距离、不同电压强度条件下进行静电纺丝的扫描电镜照片 ,其中 a、b、c、d、e是电压强度分别是12 kV、14 kV、16 kV、18 kV、20 kV 时纤维的SEM照片.由图2可以很直观地看出,电压强度为14 kV和16 kV(见图2b、图2c)时得到的纤维直径较为均匀,而且纤维膜上液滴较少.所以本实验选取16 kV的电压强度作为8%PVA水溶液静电纺丝电压.

图2 不同电压强度下PVA纤维SEM照片

电压强度是通过影响电场中细流的电荷密度来影 响静电纺丝效果的.电压增大,细流表面电荷的静电斥力增加,有利于形成更细的纤维[4],但是这又会使细流以更快的速度离开喷丝口,造成细流流动不稳定,部分纤维的直径增加[5].由于电压强度跨度较小,所得纤维的形貌受电压影响不是很明显,但是也能看出一种趋势:随着电压的增大,纤维直径向更细和更粗2个方向发展.

2.3 接收距离对纤维形貌的影响

图3所示是8%的PVA溶液在电压强度为16 kV、注射速度为0.010 m l/m in条件下,接收距离分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm时的纤维照片.实验过程中,还选取了25 cm作为参照,但由于注射泵工作极不稳定,未继续进行纺丝.由图3可以看出,接收距离对纤维的直径的影响较小,而且接收距离较大,注射泵工作不稳定,所以本实验选择15 cm作为 PVA溶液静电纺丝的接收距离参数.

图3 不同的接收距离下PVA静电纺丝纤维SEM照片

接收距离也是静电纺丝中的一个重要的过程参数,它主要是通过改变电场强度来影响纤维形貌的.当接收距离较小时,电场中细流所受静电力较大,细流在电场中坠落时间短、劈裂频率减小、拉伸不充分,从而导致溶剂挥发不完全,落到接收板上的纤维互相粘连(见图3a),出现再溶解现象.随着接收距离的增加,这种情况得到了解决,所得纤维直径比较均匀,表面光滑平整.

2.4 注射速度对纤维形貌的影响

图4所示是8%的PVA溶液在电压强度16 kV、接收距离 15cm条件下,注射速度分别为0.002 m l/min、0.010 m l/min、0.015 m l/min、0.025 m l/min时静电纺丝所得纤维的高倍和低倍扫描电镜照片.由图4可以看出:在其他条件相同的条件下,当注射速度较小时,有串珠状的纤维存在(见图4c),纤维的直径分布不很均匀,而且纤维膜表面粗糙,有未经拉伸的小颗粒的存在(见图4d);而当注射速度为0.015～0.025 m l/min时,所得的纤维直径分布均匀(见图4e、图4g),而且纤维膜表面较为光滑平整(见图4 f、图4h).由本实验可以看出,0.015～0.025m l/min为PVA静电纺丝比较合适的注射速度区间.

图4 不同注射速度下PVA纤维的SEM照片

注射速度也是静电纺丝过程中的一个重要的过程参数.注射泵可以给纺丝液提供静压力,使之流向针头顶端,高压电源又提供给针头顶端纺丝液滴电场力,使之离开针头,只有当这2个力达到平衡时,液体细流才能稳定运动,形成直径均匀的纤维,否则会出现串珠状纤维[5].在纺丝过程中,还出现了一个不容忽视的问题:当注射速度为0.025 m l/min时,会有一部分的溶液从针头顶端直接滴落到接收板的中央位置.这是由于注射速度过快,在针头顶端积累的液滴带有大量的电荷,在静电力和重力的作用下直接坠落.

3 结 语

本文对PVA水溶液静电纺丝的工艺参数进行了探讨.实验结果表明:当电压强度、接收距离、注射速度一定时,随着溶液溶度的增加,纤维会由串珠状转变成直线状,纤维直径会有所增加;当溶液浓度、接收距离、注射速度一定时,随着电压强度的增加,纤维直径分布变宽,而且串珠状纤维增多;当溶液浓度、电压强度、注射速度一定时,随着接收距离的增加,纤维直径变化不大;当溶液浓度、电压强度、接收距离一定时,随着注射速度的增加,纤维直径更加均匀,而且纤维膜表面光滑平整.

根据SEM观察和具体的实验情况,在温度20℃、湿度60%条件下,PVA溶液静电纺丝比较合适的工艺参数是:溶液浓度8%,电压强度16 kV,接收距离15cm,注射速度0.020 m l/min.

[1] 徐德涛.聚乙烯醇静电纺丝工业化相关基础研究[D].苏州:苏州大学,2007:6-8.

[2] 李杰.静电纺丝法制备聚乙烯醇纳米纤维[J].船舶防化,2009(4):6-11.

[3] 刘莉,董相廷,王进贤,等,静电纺丝法制备V 203纳米纤维与表征[J].中国稀土学报,2008,26(4):400-404.

[4] Hohman M M,Shin M,Rutledge G,et al.Electrospinning and Electrically Fo rced Jet. Ⅰ[J].Stability Theo ry,Physics of fluids,2001,13(8):2201-2220.

[5] Deitzel JM,Kleinmeyer J,Harris D,et al.The Effect of Processing Variables on the Mo rphology of Electrospun Nanofibers and Textiles[J].Polymer,2001(42):261-272.

Preparation and M icrotopography Study of PVA Nanofiber Membrane

HE Xiao-wei,ZHANG Chao-kui,L IU Hong-yan,CHEN Yan,PAN Wei
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this study,PVA nanofiber membrane was p repared by electrospinning.SEM has been app lied to view themicrotography of the PVA nanofiber membrane.Concentration of PVA solution,voltage,inject-speed and C-SD have been studied for they can impact the microtopography of nanofiber membrane.As a result,PVA solution w ith 8%concentration is the comparatirely suitable concentration,w hen the voltage is 16 kV,inject-speed is 0.020m l/min and C-SD is 15cm.

PVA;electrospinning;p rocess parameter;m icrotopography

TQ342.41

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.02.004

1671-6906(2010)02-0014-06

2010-03-12

河南省重点科技攻关项目(092102210080)

何晓伟(1984-),女,山东平度人,硕士研究生.