壳/芯结构PU基纳米纤维复合纱的制备与性能研究

付少举 曾 佩 侯雪梅 詹建朝 张佩华

1.东华大学 纺织学院纺织面料技术教育部重点实验室(中国) 2.嘉兴学院 材料与纺织工程学院(中国)

纳米纤维具有孔隙率高、比表面积大、吸湿保水性能好等优势，备受中外研究人员关注，已被广泛应用于生物医疗、压力传感、过滤材料及其他民用与产业用纺织品领域[1-2]。静电纺丝法，即通过外加高压电场使得聚合物带电，并通过喷丝头形成无序的纤维体，最终收集在接收盘上获取纳米纤维[3]。目前，静电纺丝法是最简单、有效的获得纳米纤维的方法，但所得纳米纤维排列杂乱无序，导致纤维的强度较小，且纳米纤维间互相作用力较复杂，使纳米纤维的可加工性和实际应用程度受到限制[4]。

根据纺丝原理，纳米纤维纱的制备主要经历纳米纤维成形、聚集、加捻和卷绕四个阶段。充足的纳米纤维供给和合适的聚集、加捻方法是稳定、连续制备纳米纤维纱的前提[5]。近年来，静电纺纳米纤维纱的获取方式主要包括控制电场、改变接收装置等，或这些方式的有机结合[6]。按照加捻方式可分为机械加捻、电场加捻、液体凝固浴加捻，其制备过程：采用不同数量针头(单针头或多针头)经静电纺丝提供纳米纤维，然后通过机械聚集加捻、电场集聚加捻、液体凝固浴集聚加捻等不同方式将形成的纳米纤维加捻制成纱[7]。

聚氨酯(PU)是一种主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物，具有良好的力学性能和生物安全性，广泛应用于生物医用、组织工程等领域。镍(Ni)的导电性和磁性优异，耐酸碱腐蚀性也较好，在热电传导、抗静电等方面应用广泛[8]。基于此，利用静电纺纳米纤维纱为载体，将赋有导电性能的纳米颗粒或高聚物涂覆在纤维纱上，对纳米纤维纱在力学、传感等领域的应用具有重要意义。

本文采用共轭静电纺丝的方法，制备了壳层为PU/Ni复合纱，芯层为PU纤维的复合纳米纤维纱线，观察了复合纳米纤维纱线的表观形态，测试了其力学性能及导电性能，研究了静电纺丝的成型工艺，为新型复合纳米纤维纱的研发提供一定的借鉴。

1 试验

1.1 试验材料与设备

主要材料：聚氨酯、聚氨酯纤维，嘉兴学院提供；四氢呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、纳米镍粉，江苏强盛功能化学股份有限公司。

主要设备：注射泵，自制；DW-P303-2ACF型高压直流电源，东文高压电源有限公司；ZNCL-S型智能恒温磁力搅拌器，河南爱博特科技发展有限公司；BSA124S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；MIT500型金相显微镜，重庆奥特光学仪器有限公司；TM3000型扫描电子显微镜，日本日立公司；YG021C型电子单纱强力仪，莱州市电子仪器有限公司；VC830L型数字万用表，深圳市胜利高电子科技有限公司。

1.2 壳核结构纳米纤维复合纱制备

将不同质量的Ni粉均匀分散于PU溶液(质量浓度为0.12 g/mL，溶剂为THF)中，制得不同Ni质量浓度的纺丝液，并将其倒入注射器中。采用共轭静电纺丝技术，调节溶液浓度、纺丝电压、接收距离、纺丝速度等工艺参数，将PU/Ni(壳纱)包覆在PU纤维(芯纱)的表面，调节卷绕辊的速度将纳米纤维复合纱包缠备用。纺丝液的Ni质量浓度分别为0.18、0.15、0.12、0.09、0.06 g/mL，所制试样分别标记为a、b、c、d、e。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 表观形貌

采用MIT500型金相显微镜及TM3000型扫描电子显微镜观测试样表观形貌。

1.3.2 力学性能

根据标准GB/T 14344—2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》，采用YG021C型电子单纱强力仪测试力学性能。打开电源，设定参数，夹好纱样，开始测试，将纱线拉断，重复试验直至达到设定次数，得到试样的断裂强力、断裂伸长、断裂时间及伸长率。

1.3.3 导电性能

在室温条件下，使用VC830L型数字万用表，随机选取10 cm PU/Ni纳米纤维复合纱，进行电阻测试，记录数据。

2 结果与讨论

2.1 表观形貌

壳/芯结构纳米纤维复合纱的光学显微镜照片如图1a)所示。由图1a)可知，随着纺丝液Ni质量浓度的减小，试样直径变小，其中试样e最细，此时纺丝液Ni质量浓度为0.06 g/mL。壳/芯结构纳米纤维复合纱及其横截面的扫描电子显微镜照片如图1b)所示。纳米纤维复合纱表面结构较为粗糙，由复杂的纳米纤维随机组成，且从试样的横截面照片可明显看到，试样由两种不同结构的纳米纤维纱线组成。

图1 试样的表观形貌

2.2 力学性能

壳/芯结构纳米纤维复合纱的力学性能如图2所示。由图2可知，随着纺丝液Ni质量浓度的减小，试样的力学性能逐渐变差，具体表现为断裂强力和断裂伸长率减小。根据前期的预试验，当纺丝溶液Ni质量浓度过大时，无法成丝。当纺丝液Ni质量浓度为0.18 g/mL时(试样a)，试样的断裂强力和断裂伸长率分别为99 cN、44.86%；当纺丝液Ni质量浓度为0.06 g/mL 时(试样e)，试样的断裂强力和断裂伸长率分别下降为52 cN、9.06%。其原因是纺丝液Ni质量浓度减小，纳米纤维复合纱的直径减小，因而力学性能相应减弱。

图2 纳米纤维复合纱的力学性能

2.3 导电性能

壳/芯结构复合纳米纤维纱的导电性能如图3所示。

图3 纳米纤维复合纱的电阻

由图3可知，随着纺丝液Ni质量浓度的减小，试样的电阻逐渐增大，即试样的导电性能逐渐减小。当纺丝液Ni质量浓度为0.18 g/mL时(试样a)，试样的电阻为115 Ω，此时试样的导电性能最好；当纺丝液Ni质量浓度为0.06 g/mL时(试样e)，试样的电阻为1 346 Ω，此时试样的导电性最差；说明纳米纤维纱成形的过程中，纺丝液Ni质量浓度越大，越有利于纤维纱线导电性能的增强。Ni赋予纳米纤维复合纱导电性，因而增大纺丝液中Ni的含量，会增强试样导电性能。

3 结论

本文采用静电纺丝技术，制备了5种壳核结构的PU/Ni纳米纤维复合纱线。当纺丝液Ni质量浓度为0.18 g/mL时，试样的综合性能较优。此时，试样的表面粗糙，断裂强力和断裂伸长率较大，导电性能较佳。本文制备的壳核结构的PU/Ni纳米纤维复合纱线，为新型导电纱线的研制提供了新思路。