静电纺纳米纤维束的吸水保水及芯吸性能

董 艳， 刘呈坤, 孙润军， 陈美玉， 杨 旋

(1. 浙江工业职业技术学院， 浙江 绍兴 312000; 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)



静电纺纳米纤维束的吸水保水及芯吸性能

董 艳1， 刘呈坤2, 孙润军2， 陈美玉2， 杨 旋2

(1. 浙江工业职业技术学院， 浙江 绍兴 312000; 2. 西安工程大学 纺织与材料学院， 陕西 西安 710048)

运用环形电极作为接收装置获得静电纺纳米纤维束，对获得的纤维束进行吸水保水及芯吸性能研究，同时对不同沉积时间和不同纤维直径的纤维束进行吸水和保水性能对比。结果表明：随着沉积时间的增加，吸水倍率和保水率均有明显增加；随纤维直径的增加，吸水倍率和保水率减小，但相互之间差别不大。此外，对其芯吸高度进行对比发现：随着沉积时间和定向程度的增加，芯吸高度升高；随纤维直径的增加，芯吸高度下降。

静电纺丝； 聚丙烯腈； 环形电极； 纳米纤维束； 吸水保水性能； 芯吸性能

20世纪90年代初，随着静电纺丝实验及理论模型构建的完善，静电纺纳米纤维研究得到快速发展，无论是科研界还是工业界都对此技术表现出浓厚的兴趣。总的来说，静电纺丝技术大致经历了4个发展阶段：第1阶段主要研究不同聚合物体系的可纺性以及工艺参数对纤维直径及性能的影响[1-2]；第2阶段主要研究静电纺纳米纤维的形成机制及其结构的精细调控[3-5]；第3阶段主要研究静电纺纤维在能源、生物医学、环境、过滤、信息等领域的应用[6-8]；第4阶段主要研究静电纺纤维的规模化制备问题[9-13]。这4个阶段并没有明显的界限，而是相互交融。静电纺纳米纤维集合体由于具有较高的比表面积和孔隙率，可用来制备高性能吸水材料。张春雪等[14]对比了静电纺聚乙烯醇(PVA)超细纤维膜和浇铸膜的力学性能和吸水性能。结果表明，PVA超细纤维膜的力学性能远低于浇铸膜，但吸水率较浇铸膜显著增加。张克宏等[15]采用水热工艺和静电纺方法制备了PVA/MC(甲基纤维素)复合纳米纤维膜。结果表明，随着MC含量的增加，PVA的吸水倍率和保水性能均逐渐提高。然而已有文献针对无规排列的纳米纤维膜进行研究，对于具有一定定向性的静电纺纳米纤维束的吸水保水性能鲜见报道。本文利用环形电极作为接收装置通过静电纺制备均匀纳米纤维束[16]。研究沉积时间、纤维直径以及纤维定向程度对纤维束吸水保水以及芯吸性能的影响，以期为高性能吸收吸附材料研发提供一定的借鉴，并最终推动其规模化应用。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯腈(PAN)，山西恒天纺织新纤维科技有限公司生产，相对分子质量为100 000；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，天津市富宇精细化工有限公司生产，分析纯。

1.2 纺丝条件

溶液质量分数为14%～16%，流量为0.3 mL/h，针头号数为12#，收集时间为10～30 min，环形电极直径为14 cm，接收距离为12 cm，电压为25 kV，环境温度为(23±2) ℃，相对湿度为(40±5)%。

1.3 实验仪器

本文实验采用自制立式静电纺丝装置，如图1所示。主要包括：WZ-50C6微量注射泵(浙江浙大医学仪器有限公司)、注射器、针尖锉平的注射针头、环形电极接收装置以及ZGF直流高压发生器(成都川高电气技术有限公司)；自制毛细效应实验装置。

图1 立式静电纺丝装置Fig.1 Vertical electrospinning system.(a) Spinning system; (b) Collecting part

1.4 纤维束制备

图2 环形电极收集的静电纺纳米纤维束Fig.2 Electrospun fibrous bundle with ring electrode as collecting device

利用静电纺丝装置通过调节工艺参数使纺丝稳定，从而获得沉积在环上的纤维束(如图2所示)，然后将纤维束分别采用直接从环上揭取和放置在水中借助水流作用提高其纤维定向排列程度后测定纤维束的吸水保水及芯吸性能。

1.5 吸水和保水性能测试

吸水性[16]：将纳米纤维束烘干称量其质量，记为W0，然后将其放在润湿的滤纸上， 5 min后测定样品的质量记为W1，按照下式计算样品在5 min后的吸水倍率。

保水性[16]：将纳米纤维束烘干称其质量，记为W0，然后将其放在润湿的滤纸上，每30 min将滤纸重新润湿，8 h后将纤维束取下，称其吸水后的质量记为W1，然后放置在25 ℃通风环境中，20 min后测定纤维束的质量记为W2。按照下式计算样品在20 min后的保水率。

1.6 芯吸性能测试

依据FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》进行测试。芯吸性能(即毛细效应)是指纺织材料或纺织品的一端，在被液体浸润的状态下，液体借助表面张力沿其毛细管上升的现象，用高度表示。毛细效应计算公式为

式中：H为试样平均毛细效应，cm/30 min；hi为各条试样毛细效应最低值；n为试样条数。

为方便观察实验现象，在三级水中加入了红色染料。实验时，调整仪器使液面均处于标尺的零位，将试样放在夹样装置里夹紧，在试样下端8～10 mm处施加3 g张力，张力夹上平面与标尺的零位线对齐，开始测试，1 h 时立刻量取每根试样条的芯吸高度。测3次取平均值。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维束吸水性能分析

2.1.1 沉积时间对纤维束吸水性影响

不同沉积时间条件下，得到的静电纺纳米纤维束的吸水倍率计算结果如表1所示。

表1 不同沉积时间条件下得到的纤维束的吸水倍率Tab.1 Water absorbency rate for fibrous bundles obtained at different deposition time

测试结果表明，随着纤维沉积时间的增加，纤维束中的纤维根数增加，形成的毛细管通道数量更多，水分可及纤维总表面积也变大，因而吸水量增加，吸水倍率变大。

2.1.2 溶液质量分数对纤维束吸水性影响

收集时间为20 min，不同溶液质量分数条件下得到的静电纺纳米纤维束的吸水倍率计算结果如表2所示。

表2 不同溶液质量分数条件下得到的纤维束的吸水倍率Tab.2 Water absorbency rate for fibrous bundles obtained at different solution concentration

测试结果表明，溶液质量分数增加时，纤维束的吸水倍率会稍微减小。这是因为当沉积时间一致时，纤维束中的毛细管通道数量基本相同，而比表面积会随着纤维直径的增加而减小，所以吸水倍率减小，但数据差别并不大。对照表1数据可得出结论，影响吸水倍率的主要因素为纤维间形成的毛细管通道数量，其次为比表面积。

由上可知,在不同收集时间和不同溶液质量分数条件下,得到纤维束的吸水倍率都达到了10倍以上,均显著高于研究人员利用静电纺获得的无规PVA纳米纤维膜在相同时间内的吸水倍率值[14-15]。值得注意的是， PAN的吸湿性能还要小于PVA，导致此结果的原因可归结为：环形电极对所纺纤维束有限制沉积和使纤维宏观上沿圆周方向达到一定程度定向排列的作用。这使得纤维之间形成更加微细的毛细管道，而且纤维具有的宏观相对有序排列使得毛细管道更加通畅。

2.2 纳米纤维束保水性能分析

2.2.1 沉积时间对纤维束保水性影响

溶液质量分数为16%，不同沉积时间条件下得到的静电纺纳米纤维束的保水率计算结果如表3所示。

表3 不同沉积时间条件下得到的纤维束的保水率Tab.3 Water retention rate for fibrous bundles obtained at different deposition time

测试结果表明，随着纤维沉积时间的增加，纤维束的保水率明显增加。由于在同一纺丝工艺条件下所纺得的纤维束，其纤维直径分布是相同的，因此，比表面积也基本相同。这样，影响其保水性的主要原因就是纤维束中的毛细管数量。随着沉积时间的增加，纤维束中的毛细管数量增多，因而保水性好；另外，随着沉积时间增加，纤维束中的纤维根数增加，纤维束内部的水分由于受到更大的扩散阻力也无法很快散失，也导致保水率增大。

2.2.2 溶液质量分数对纤维束保水性影响

收集时间为20 min，不同溶液质量分数条件下得到的静电纺纳米纤维束的保水率计算结果如表4所示。

表4 不同溶液质量分数条件下纤维束的保水率Tab.4 Water retention rate for fibrous bundles obtained at different solution concentration

测试结果表明，随着溶液质量分数的增加，纤维束的保水率微弱减小。这是因为，随着溶液质量分数的增加，纤维束中纤维的平均直径变大，因而其比表面积变小，水分挥发速度变快，保水率逐渐减小。而三者之间的保水率差异并不大，这主要是由于沉积时间一致时，毛细管的数量基本相同。这也表明，保水性能同上述吸水性能得出的结论一样，其首先决定于纤维之间的毛细管数量，其次才是纤维的比表面积。

由上可知，在不同收集时间和不同溶液质量分数条件下,纤维束的保水率要小于文献报道的对应值[16]。原因可归结为：PAN的线性大分子链之间并没有产生交联形成分子网络；而交联度越低，吸水倍率通常相对越高，其保水性和稳定性反而越低。

2.3 纳米纤维束芯吸性能分析

2.3.1 沉积时间对纤维束芯吸性影响

溶液质量分数为16%，沉积时间为10、20和30 min时，得到的静电纺纳米纤维束的芯吸高度分别为3.6、5.6和7.9 cm。表明随着沉积时间的增加，纤维束的平均芯吸高度增加。同等纺丝条件下所纺得的纤维，其直径分布是相同的，比表面积也基本一致。随着沉积时间的增加，纤维束中的纤维根数会增加，形成的毛细管数量增加，从而毛细效应也愈明显。

2.3.2 溶液质量分数对纤维束芯吸性影响

收集时间20 min，溶液质量分数分别为14%、15%和16%时，得到的静电纺纳米纤维束的芯吸高度分别为9.5、8.3和7.9 cm。数据表明，随着溶液质量分数的增加，纤维的芯吸高度减小。这主要是由于在相同的沉积时间内所纺纤维束中的毛细管数量基本一致，但是随着溶液质量分数的增加，纤维平均直径增大，比表面积减小，吸附性能减弱，减小了水分的扩散面积，因此，其芯吸高度较溶液质量分数低时下降。

2.3.3 定向性对纤维束芯吸性影响

溶液质量分数为16%，收集时间为30 min，直接从环上揭取与通过水流作用提高纤维定向程度后的纤维束的芯吸高度分别为7.9和9.3 cm。这表明，纤维束中纤维定向程度得到提高之后，芯吸高度增加。这是由于定向排列程度提高后的纤维束，纤维排列更加趋于平行，纤维之间的毛细管道比直接揭取的纤维束更加通畅，因而更利于纤维束对水分的传导，从而芯吸高度增加。

3 结 论

本文利用环形电极作为接收装置得到纳米纤维束，并对其进行吸水保水以及芯吸性能测试。对不同溶液质量分数以及不同沉积时间条件下得到的纤维束作对比性实验得出，纤维束的吸水保水性能主要取决于纤维束内部毛细管的数量，其次为比表面积。对比在不同溶液质量分数、沉积时间、定向程度下获得的纤维束的芯吸高度得出，纤维束的芯吸高度不仅与毛细管数量有关，还受其毛细管道的通畅程度影响。

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Water absorbency, retention and wicking properties of electrospun fibrous bundles

DONG Yan1, LIU Chengkun2, SUN Runjun2, CHEN Meiyu2, YANG Xuan2

(1.ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing,Zhejiang312000,China;2.SchoolofTextileandMaterials,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

A self-made vertical electrospinning device with a ring electrode as the collector was used to produce electrospun nanofibers. Influences of deposition time, diameter of fiber and orientation of fibrous bundles for water absorbency and retention and wicking properties were studied. Results show that water absorbency and water retention rate are both increased with the increase of deposition time, while they show a slight decreasing trend with the increase of the diameter of fiber. In addition, the wicking height of fibrous bundles increased with the increase of the deposition time and the degree of orientation. However, the wicking height decreased with the increase of the fiber diameter.

electrospinning; polyacrylonitrile; ring electrode; nanofibrous bundle; water absorbency and retention; wicking property

10.13475/j.fzxb.20140805405

2014-08-26

2014-11-10

浙江省高等教学课堂教学改革项目(kg2013801); 陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(13JS035)

董艳(1981—)，女，讲师，硕士。主要从事纳米纺织新产品的研发。刘呈坤，通信作者，E-mail：fzlck@126.com。

TQ 340

A