静电纺丝PET膜结晶性能研究
2019-02-21，，，
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(1.娄底市一中，湖南 娄底 417000；2.湖南人文科技学院，湖南 娄底 417000)
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是目前聚酯材料中使用量最大、商业化程度最高、应用最广泛的工程塑料之一[1],多年来人们对聚酯的结晶性能进行了大量研究，以克服其结晶性能差的缺点[2-4]。近年来静电纺丝技术引起了人们的广泛关注，且通过静电纺丝技术制备了众多性能卓越的复合纤维材料[5-7]。本文通过静电纺丝技术制备了PET静电纺丝膜，并对其结晶性能进行了研究。
1 验部分
1.1 主要原料
PET，瓶级切片，海南逸盛石化有限公司；三氟乙酸，分析纯，成都联禾化工医药有限责任公司；二氯甲烷，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。
1.2 主要设备及仪器
静电纺丝机，NF-500，上海富马科技有限公司；X射线衍射仪，Y-2000，丹东奥龙射线仪器集团有限公司；电子分析天平，GL224-1SCN，常州市宏衡电子仪器厂；恒温干燥箱，DHG-9070A，上海善志仪器设备有限公司。
1.3 实验过程
称取不同重量的PET颗粒，用三氟乙酸/二氯甲烷(v=1∶9)混合溶液搅拌溶解[8]，配置成不同浓度的纺丝液。将不同浓度的纺丝液通过静电纺丝制备PET纺丝膜。收集薄膜，裁成一定尺寸，并用砝码压平。将压平的薄膜放入恒温干燥箱，在150℃，170℃，190℃的温度下，加热30min，3h，6h，对PET纺丝膜进行退火处理[9]。
1.4 性能测试
将静电纺丝退火PET膜用胶带粘在玻璃基片上，置于XRD样品室，设置衍射角度为10～40°、运行电压为30kV、运行电流为20mA，进行XRD测试。
静电纺丝退火PET膜中晶相与非晶相的不同体积比与其XRD谱图中的衍射峰的积分强度的比例有关，利用Jade软件对整个图拟合出所有非结晶峰的强度，然后手工拟合出结晶峰的的强度[10]。谱图中的曲线所反应的结晶度可以通过下方所列的公式求出。
在上式中，系数K为结晶度计算公式的校正系数，为一个常数。Ia和Ic各自表示的是在X射线衍射的起止角度范围中非晶相和晶相的衍射积分强度。
2 结果与讨论
2.1 纺丝液浓度对PET静电纺丝膜结晶性能影响
在纺丝液的配备过程中，控制纺丝液的溶液浓度不要过高或过低[11]。如果纺丝液浓度太高，流体的黏度增加，注射器难以推进纺丝；如果纺丝液浓度太低，则很难收集到PET膜。纺丝过程如表1所示，所得的PET膜的结晶性能如图1所示，纺丝液浓度越高，所得的PET膜的结晶程度越高。
表1 纺丝液浓度对静电纺丝的影响Table 1 Effect of spinning concentration on the PET film
图1 纺丝液浓度对PET膜结晶性能的影响
Fig.1 Effect of spinning concentration on the crystallization performance of PET film
2.2 纺丝电压对PET膜结晶性能的影响
图2为不同的纺丝电压条件下的PET膜的XRD谱图。从图中可以看出，不同的纺丝电压，静电纺丝PET膜的衍射强度不同[12]，且纺丝电压越高，XRD的衍射强度越强，这可能是纺丝过程中电场增大，纺丝液液滴所受到的张力越大，形成喷射流的过程当中，PET纤维受到更强的电场拉伸能，有利于PET的结晶。通过计算，纺丝电压为16kV时，PET纺丝膜结晶度为20.13%，25kV时，结晶度为22.35%，35kV时，结晶度为25.02%，PET纺丝膜的结晶度随纺丝电压逐渐增大。
图2 纺丝电压对PET膜结晶性能的影响
Fig.2 Effect of spinning voltage on the crystallization performance of PET film
2.3 接收板距离对PET膜结晶性能的影响
在图2中可以看出接收板距离为10cm时，PET纺丝膜获的XRD衍射峰强度比30cm的要强。同样的纺丝电压，接收板距离越远，单位距离的电场强度越低，电场牵引力越小，纤维的直径也变大，PET膜结晶性能也降低，同时纺丝液喷射的范围也越远，纤维量收集较之前相比变少。
2.4 退火条件对PET膜结晶性能的影响
如图3所示X衍射谱图中可以看出，随着退火温度的升高，PET膜X衍射峰的强度逐渐提高，在190℃的时候结晶强度最高。这是因为在退火温度逐渐升高的过程中，PET薄膜内还存在一些不太规则的分子链可以继续结晶，而且随着温度的提高，无定型区的分子链更容易进行运动，有利于结晶。而随着退火时间的增加，如图4所示，无定型区分子链有足够的时间进行结晶，结晶程度也随着上升，通过计算，退火30分钟时，PET膜结晶度为16.53%，3个小时，PET膜结晶度上升到为34.3%，而当6小时时，PET膜结晶度为51.72%。
图3 接收板距离对PET膜结晶性能影响
Fig.3 Effect of spinning distance on the crystallization performance of PET film
图4 退火温度对PET膜结晶性能影响Fig.4 Effect of annealing temperature on the crystallization performance of PET film
图5 退火时间对PET膜结晶性能影响Fig.5 Effect of annealing time on the crystallization performance of PET film
3 结论
本文通过实验探究静电纺丝工艺条件对PET膜结晶性能的影响，利用X射线衍射仪对PET纺丝膜的结晶性能进行了分析和计算，得出以下结论：
(1)纺丝液的浓度不能太低，也不能太高，纺丝液浓度在10%～20%时可纺，且随着纺丝液浓度的升高，PET膜结晶程度升高。
(2)在15kV-35kV可纺范围内，高电压更有利于提高PET膜的结晶性能。
(3)接收板距离在10cm所形成的PET膜结晶性能优于接收距离为30cm所形成的PET膜。
(4)退火温度升高和退火时间延长，有利于提高PET膜的结晶程度。
