靜電紡絲納米纖維形態(tài)影響因素的分析與驗(yàn)證.pdf

1、靜電紡絲是一種操作簡單，能夠直接連續(xù)制備聚合物納米纖維的重要技術(shù)，是基于高壓靜電場(chǎng)下導(dǎo)電流體產(chǎn)生高速噴射的原理發(fā)展而來。由于其研究涉及到流變學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等多種學(xué)科及其過程的瞬時(shí)性，因此關(guān)于靜電紡絲的技術(shù)參數(shù)特別是溶液的技術(shù)參數(shù)對(duì)收集纖維形態(tài)影響的研究和報(bào)道很少。
　　 首先，本文系統(tǒng)分析了靜電紡絲時(shí)靜電場(chǎng)中的電勢(shì)及射流在靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受到的作用力。由于紡絲液的粘度和導(dǎo)電性是影響靜電紡絲纖維形貌和直徑的兩大主要參數(shù)，因此本文在系

2、統(tǒng)闡述靜電紡絲所需的電壓及射流半徑的理論基礎(chǔ)上，深入探討了紡絲液的粘度與電導(dǎo)率對(duì)靜電紡絲納米纖維形貌與直徑的影響，提出了在靜電紡絲過程中射流表面從部分電荷到滿電荷的情況下，溶液粘度對(duì)收集到纖維直徑(d)的影響規(guī)律的計(jì)算方法。
　　 本論文利用自制的靜電紡絲裝置紡制了三種不同溶液的納米纖維，來驗(yàn)證所提出的關(guān)于影響靜電紡絲納米纖維形態(tài)的模型。這三種聚合物溶液分別為具有柔性分子鏈的聚環(huán)氧乙烷(PEO/DIwater)溶液、本實(shí)驗(yàn)室合成

3、的具有剛性分子鏈的聚酰胺酸(PAA/DMAc)溶液及利用原位聚合法得到的分子鏈剛?cè)嵝越橛谇皟烧咧g的聚間苯二甲酰氯間苯二胺(PMIA)的MWNTs/PMIA/DMAc混合溶液。
　　 配置分子量為4×105的四種不同濃度聚環(huán)氧乙烷水溶液。為了得出驗(yàn)證關(guān)系模型所需無機(jī)鹽氯化鋰(LiCl)的最佳添加量，分別在這四種不同濃度的溶液中添加不同含量的氯化鋰，利用數(shù)字電導(dǎo)率儀測(cè)量它們的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入量從0.2wt％上升到0.3wt％時(shí)，

4、電導(dǎo)率的值有比較大的提高，但是當(dāng)加入量為0.4wt％和0.5wt％時(shí)，測(cè)出電導(dǎo)率的值沒有明顯提高。在溶液濃度為10wt％時(shí)，對(duì)加入不同含量鹽的溶液進(jìn)行靜電紡絲。發(fā)現(xiàn)當(dāng)含鹽量超過0.3wt％時(shí)，靜電紡絲過程中出現(xiàn)有連絲現(xiàn)象。對(duì)所得到的纖維SEM圖像進(jìn)行分析，得出LiCl最佳添加量為0.2wt％和0.3wt％。
　　 對(duì)LiCl含量為0.2wt％和0.3wt％時(shí)，不同濃度的溶液進(jìn)行靜電紡絲，獲得納米纖維氈，采用掃描電子顯微鏡(SEM

5、)來觀察纖維的形貌，利用ImagePro-plus6.0圖像處理統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所獲得的SEM圖片中的纖維直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)隨著含鹽量的提高，纖維的平均直徑減小，離散度減小，但是隨著溶液粘度的增加，纖維直徑幾乎不發(fā)生改變，所以在影響纖維直徑上溶液粘度要比其電導(dǎo)率顯著，占主要地位。無機(jī)鹽的加入，能使紡絲過程變得容易且穩(wěn)定，所得的纖維形貌比較好，且纖維直徑分布頻率圖由雙峰變?yōu)閱畏濉?br>　　 采用本文第二章關(guān)于直徑預(yù)測(cè)的方法對(duì)PEO納米纖維進(jìn)

6、行分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和理論值比較吻合。
　　 用等摩爾比的4，4′-二苯四甲酸二醚酐(4，4′-oxydiphthalicacid，ODPA)和對(duì)苯二胺(p-phenylenediamine，PPD)，以NN-二甲基乙酰胺(N，N-Dimethytacetamide，DMAc)為溶劑并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下聚合，得到固含量為40wt％的聚酰胺酸(PAA)溶液，稀釋得到一系列固含量分別為22wt％，24wt％，26wt％和28wt％的PA

7、Ａ溶液。將每種濃度的溶液分成5份，分別加入0.1wt％，0.2wt％，0.3wt％，0.4wt％和0.5wt％的LiCl。采用與第三章類似的測(cè)試和分析方法，得出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的最佳LiCl含量分別為0.2wt％和0.4wt％。
　　 對(duì)LiCl含量為0.2wt％和0.4wt％的不同濃度的溶液進(jìn)行靜電紡絲，獲得納米纖維氈，采用與第三章類似的測(cè)試和分析方法，得出PAA纖維的變化和PEO纖維有同樣的變化規(guī)律。
　　 采用本文第二章關(guān)

8、于直徑預(yù)測(cè)的方法對(duì)PAA納米纖維進(jìn)行理論驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)加鹽量較少時(shí)，實(shí)驗(yàn)值稍微偏離本文第二章的預(yù)測(cè)值，但是隨著加鹽量的提高，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值趨于一致。
　　 采用原位聚合方法合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0wt％，1wt％，1.5wt％和2wt％的MWNTs)/PMIA（PMIA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5wt％）四種混合溶液，同時(shí)對(duì)MWNTs/PMIA=1wt％，PMIA=12.5wt％的混合溶液進(jìn)行稀釋，得到濃度為9wt％，10wt％和11wt％

9、的三種溶液。利用自主設(shè)計(jì)的新型接收裝置，對(duì)以上七種混合溶液進(jìn)行靜電紡絲。
　　 研究溶劑DMAc對(duì)混合溶液電導(dǎo)率及靜電紡絲纖維形態(tài)的影響。發(fā)現(xiàn)溶劑DMAc能極大提高溶液的電導(dǎo)率，且隨著DMAc加入量的增加，電導(dǎo)率逐漸提高，即溶液濃度的下降，溶液的電導(dǎo)率上升。隨著溶劑含量的減少，纖維上紡錘狀結(jié)構(gòu)逐漸減少，纖維的形貌變得規(guī)整，收集到的纖維比較多，纖維的直徑也逐漸增大。
　　 對(duì)不同MWNTs含量的溶液電導(dǎo)率和靜電紡絲纖維形態(tài)

10、進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著MWNTs的增加，溶液的電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)。不含MWNTs時(shí)，收集的纖維中存在一些紡錘狀結(jié)構(gòu)，纖維的直徑分散大，并且有些單根纖維的直徑不均勻。隨著加入MWNTs量的增加，纖維分布均勻，直徑減小，且離散度減小。隨著MWNTs含量的增大，由于溶液具有高的粘結(jié)性，導(dǎo)致收集的纖維出現(xiàn)比較嚴(yán)重的并絲現(xiàn)象，且固化后的纖維有較多的殘余電荷，使得靜電斥力變大，纖維之間間距變大，導(dǎo)致纖維的取向性變差。
　　 為了研究復(fù)合纖維的熱穩(wěn)

11、定性和結(jié)晶性能，對(duì)復(fù)合纖維和單組份纖維進(jìn)行熱失重分析(TGA)和X-射線衍射(XRD)。TGA表明隨著MWNTs加入量的增加，與單組份的纖維相比，復(fù)合纖維的熱分解開始溫度并沒有很大的提高，但是隨著溫度的升高，質(zhì)量殘余變大，因此熱穩(wěn)定性有一定的提高。XRD數(shù)據(jù)顯示了多壁碳納米管的加入，相對(duì)強(qiáng)度的衍射峰變窄，說明晶粒尺寸變大，而衍射峰的樣式與芳綸1313的幾乎重合，因此并不改變芳綸1313的結(jié)晶類型，但是結(jié)晶度有所提高。
　　 靜電

12、紡絲紡制的復(fù)合和單組份納米纖維的透射電子顯微鏡(TEM)圖表明:碳納米管的確存在于復(fù)合纖維中且沿著纖維的軸向排列。在靜電紡絲時(shí)靜電力最先作用在泰勒錐的頂端，導(dǎo)致了大部分的MWNTs集中排列在靜電紡納米纖維的中心，形成類似于同軸靜電紡紡出的纖維，且隨著MWNTs含量的增加，這種現(xiàn)象更加明顯。TEM圖像還表明了隨著MWNTs含量的增加，纖維的表面變得粗糙。
　　 對(duì)MWNTs/PMIA=1wt％，PMIA=12.5wt％時(shí)的溶液粘度