水溶性聚乙烯醇纳米纤维毡的制备与表征

贾哲昆 杨银英 王进美

(西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048)

水溶性聚乙烯醇纳米纤维毡的制备与表征

贾哲昆 杨银英 王进美

(西安工程大学纺织与材料学院，西安，710048)

采用静电纺丝技术制备了聚乙烯醇(PVA)纳米纤维毡，主要考察了纺丝液浓度和纺丝电压对静电纺纤维形成及其微观形貌的影响。实验结果表明:纺丝液的浓度对纤维的形成和形貌起着决定性作用，随着PVA质量分数的增加，在纺丝过程中纺丝液逐渐从液滴转变为均匀的纤维，纤维直径逐渐增加，当纺丝液的PVA质量分数为6%时，纤维形貌最佳;随着纺丝电压的提高，纤维平均直径先是有一定程度的降低，但随后降低幅度变得很小。通过实验确定了制备PVA纳米纤维毡的最佳工艺为:纺丝液的PVA质量分数6%，纺丝电压18 kV，接收距离11 cm，挤出速度0.5 ml/h。

水溶性聚乙烯醇，静电纺丝，纳米纤维毡，工艺

静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。静电纺丝技术制备的超细纤维具有比表面积大、孔隙率高等优点，在过滤材料、生物医用材料、功能性服饰、传感器等领域有着广泛的应用前景。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［1］。

聚乙烯醇(PVA)具有良好的化学和热稳定性，环境友好性，生物相容性及可降解性等优点［2］。用PVA纺制的纺织纤维具有色泽好、强力高、吸湿性优、耐磨、耐晒、耐腐蚀、无毒、无味等优点。由于PVA大分子每个链节上都有一个亲水的—OH，因而可溶于80～98℃的热水中，降温后溶液长时间不会凝固，因此可以用水对其进行溶解，进行静电纺丝。静电纺PVA纳米纤维毡具有比表面积大、孔径小、质地柔软的特点，是一种良好的生物医用材料［3］，在其他领域的应用也非常广泛。

据研究，聚合物静电纺丝产物形态决定于其形成过程中各个因素［4］，包括高分子溶液性质、工艺因素及环境因素等。本文采用静电纺丝法制备PVA纳米纤维毡，系统地研究了纺丝液的性质以及纺丝工艺中纺丝液浓度和纺丝电压对纳米纤维形貌的影响，为进一步制备复合功能性生物医用材料打下基础。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

JA2003电子天平，上海良平仪器仪表有限公司;

DJ1C-60DJ1C増力电动搅拌器，江苏大地自动化仪器厂;

HHS-9S电子恒温不锈钢水浴锅，上海光地仪器设备有限公司;

KQ-100E超声波清洗器，昆山市超声波仪器有限公司;

自制静电纺丝装置，包括高压发生装置(0～40 kV、电流3 mA)，恒速注射泵和接收板等，见图1;

完全醇解 PVA，聚合度 1750±50，醇解度99%，分析纯，SCRC国药集团化学试剂有限公司;

冰乙酸，分析纯，天津市国宇精细化工有限公司。

图1 静电纺丝装置示意

1.2 测量与表征

在25℃下用SHB-1数字式黏度计测量各浓度纺丝液黏度，用电导率仪测溶液电导率;纺丝条件变化时，先用载玻片收集部分纺丝液喷出物，用数字式三维测量显微系统VHX600观察纤维形态的变化。经过观察，选出较合适的纺丝液浓度后，用铝箔收集纺制纤维毡，再用VEGAⅡXMUINCA扫描电镜(SEM)表征纤维形貌和直径，并在各电镜照片中抽取100根纤维测量其直径分布。

1.3 水溶性PVA纳米纤维毡的制备

将一定量的PVA颗粒加入盛有蒸馏水的容器中，将容器置于80～90℃水浴锅内，搅拌3h，冷却至室温，加入一定量的乙酸，超声波震荡1 h，使溶液混合均匀，分别制备质量分数为2%、4%、6%、8%和10%的PVA溶液。在电压18 kV、接收距离11 cm和挤出速度为0.5 ml/h的条件下，纺制纳米纤维毡。

2 结果与讨论

2.1 PVA纺丝液的性质

黏度和导电率都是纺丝液能否形成纤维的关键因素。随着PVA含量的增加，纺丝液的黏度和电导率几乎呈线性增加。不同浓度PVA溶液的黏度和电导率见图2。

2.2 PVA含量对纺丝工艺的影响

纺丝电压固定在18 kV，依次试纺5种不同纺丝液浓度的试样。待喷丝过程稳定后，用载玻片收集部分喷出物，在数字式三维测量显微系统观察。质量分数为2%的PVA溶液在纺丝过程中，有大量的小液滴喷出，几乎没有纤维生成，见图3(a);质量分数为4%的PVA溶液纺丝时，开始产生明显的纤维，但喷丝过程断断续续，很不稳定，纤维时有时无，纤维中明显带有结子，见图3(b)。质量分数为6%的PVA溶液纺丝时，纤维粗细均匀，几乎无粘并现象，喷丝过程稳定，说明此纺丝液浓度合适，用铝箔收集纤维并纺制样品，用 SEM观察，见图3(c);质量分数为8%的PVA溶液在喷丝过程中存在纺锤体，偶尔有大液滴喷出，部分有明显的纤维粘连，且纤维直径有一定程度的增大，见图3(d);质量分数为10%的PVA溶液在喷丝过程中有大量的纺锤体喷出，纺丝困难，收集到的纤维很少，见图3(e)。这是由于随着PVA含量的增加，纺丝液的黏度随之提高，同样的电压条件下，静电场力不能有效地牵伸纺丝液细流，导致纤维有大量的粘连，纺丝过程困难。

图2 PVA质量分数与纺丝液性质的关系

2.3 电压对纺丝工艺的影响

确定纺丝液的PVA质量分数为6%，变化电压，观察电压对纤维形貌的影响。从电压6 kV时开始出丝，喷丝过程不太稳定，Taylor锥不明显，时有时无;当电压增至10～25 kV时，纺丝基本稳定;电压超过25 kV时，出现较明显的鞭动不稳定。在10、18和25 kV时制得样品的SEM照片中各抽取100根纤维测量直径，观察直径分布。在10 kV下制得样品的纤维直径分布在220～480 nm之间，平均直径为 389 nm，且纤维不匀比较明显，见图4(a);在18 kV下制得样品的纤维直径分布在100～360 nm之间，纤维直径主要分布在100～200 nm内，平均直径为274 nm，直径波动范围明显缩小，这是由于电压升高后，静电力变大，纺丝液能有效地分裂出更多更细的细流，使得纤维直径变小，从纤维平均直径和分布上都能看出增加电压可减小纤维直径，见图4(b);但当电压增加到25 kV时，制得样品的纤维直径分布在100～400 nm之间，平均直径为256 nm，纤维直径和分布变化不大，具体原因还需要进一步研究，见图4(c)。

图3 不同质量分数PVA溶液纺制纤维的SEM照片

图4 不同纺丝电压纺制纤维的SEM照片

3 结论

本文用静电纺丝法制备了PVA纳米纤维，同时研究了不同纺丝液浓度和纺丝电压对纺丝液成纤和纤维形貌的影响。

(1)随着纺丝液浓度的增大，PVA溶液的黏度和电导率几乎呈线性增大。

(2)纺丝液浓度对纺丝成纤的影响最大，纺丝电压次之。当纺丝电压固定在18 kV下，PVA的质量分数达到4%时，出现纤维;达到6%时，纤维形貌最佳，纤维直径分布在100～360 nm之间，平均直径为274 nm。当PVA质量分数控制在6%时，在10 kV电压下，纤维直径分布在220～480 nm之间，平均直径为389 nm;在18 kV电压下，纤维直径分布在100～360 nm之间，平均直径为274 nm;在25 kV电压下，纤维直径分布在100～400 nm之间，平均直径为256 nm。纤维直径随着纺丝液浓度的增加而增加;在10～18 kV区域内，随着电压的增大有明显降低的趋势。

(3)纺制PVA纳米纤维毡适宜的工艺条件是:质量分数为6%的PVA溶液，电压18 kV，接收距离11 cm，挤出速度0.5 ml/h。该条件下制得的纤维粗细均匀，纺丝过程稳定。

［1］山下义裕.静电纺丝制造纳米纤维的方法［J］.合成纤维，2008(2):50-52.

［2］严瑞宣.水溶性高分子［M］.北京:化学工业出版社，1998:42.

［3］RSUKAD M，FREDDI G，CRIGHTION J.Structure and compatibility of poly(vinyl alcohol)/silk fibroin(PVA/SF)blend films［J］.J Polym Sci Part B:Polym Phys，1994，32:243.

［4］朱振东，刘杰.静电纺丝制备纳米纤维的研究进展［J］.高分子材料科学与工程，2008(12):1-5.

Preparation and characterization of water-soluble poly(vinyl alcohol)nanofibers mats

Jia Zhekun，Yang Yinying and Wang Jinmei
(Faculty of Texitile ＆ Material，Xi’an Polytechnic University)

Poly(vinyl alcohol)nanofibers mats were prepared by electrospinning，and the influence of the spinning solution concentration and the electrospinning voltage on the shape and the microstructure of nanofibers were investigated.The results showed that spinning solution concentration plays a decisive role in the fiber formation and with the increasing of the PVA concentration，spinning solution gradually transformed from the droplet to the uniform fiber，and the fibers diameter increased gradually.The fiber morphology was the best at the PVA concentration of reached 6%，with the increasing of the spinning voltage，the average diameter of fibers reduced to some extent firstly，but then there was almost no reduction in diameter.In the work，PVA nanofibers mats were prepared by electrospinning aqueous PVA solution with 6%concentration.The electrostatic field strength was fixed at 18 kV/11 cm.The feed rate of the solutions was controlled to about 0.5 ml/h.

poly(vinyl alcohol)，electrospinning，nanofiber mats，technology

TQ340.649;TQ342.41

A

1004－7093(2010)07－0012－04

2010－04－26

贾哲昆，男，1985年生，在读硕士研究生。主要研究方向为功能性材料的研发。