氣流氣泡紡制備微-納米纖維及其機(jī)理研究.pdf

1、納米技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)推動(dòng)科技進(jìn)步的主導(dǎo)力量之一，如何利用低能高效的方法制備各種特殊結(jié)構(gòu)的納米材料是納米技術(shù)研究中的一個(gè)重要課題。納米纖維作為一種一維納米材料，因其具有直徑小、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)良特性而極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)紡織工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，而結(jié)構(gòu)化納米纖維制備技術(shù)的飛速發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)納米纖維新產(chǎn)品的開發(fā)，加速紡織科技進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。
　　本文首先回顧了近年來靜電紡絲法、熔噴法和吹液法在制備納米（超細(xì)）纖維上的發(fā)展歷史以及研

2、究現(xiàn)狀,總結(jié)了三種紡絲方法的主要特點(diǎn)及潛在優(yōu)勢(shì),同時(shí)指出它們進(jìn)一步發(fā)展存在的問題。在深入分析氣泡靜電紡制備納米纖維的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及氣流在紡織加工應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用的基礎(chǔ)上,本文首次提出了一種新型的紡絲方法——?dú)饬鳉馀菁彙?br>　　根據(jù)氣流氣泡紡的基本原理——利用一定溫度和速度的氣流通過克服聚合物溶液生成的氣泡薄膜的表面張力，使氣泡被拉伸破裂，其碎片射流在氣流作用下被進(jìn)一步拉伸并伴有溶劑揮發(fā)而形成納米纖維的過程，本文研制了相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，并

3、對(duì)四種聚合物（聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、絲素蛋白和聚酰胺）進(jìn)行氣流氣泡紡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并與靜電紡絲進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：氣流氣泡紡得到的四種產(chǎn)物并不像靜電紡絲得到的是由納米纖維組成的纖維氈，而都是一種由多根超細(xì)或納米纖維抱合而成的纖維集束體，類似于納米纖維紗；此外，在四種產(chǎn)物中，聚酰胺納米纖維及纖維束的直徑最小、紡絲成形性最佳。
　　為了研究氣流氣泡紡絲機(jī)理,本文首先分析了外界環(huán)境溫濕度和氣泡半徑與氣泡表面張力的關(guān)系,并改進(jìn)了氣泡的Yo

4、ung-Laplace方程，理論推導(dǎo)表明通過減小氣泡的半徑、在氣泡外溫度大于氣泡內(nèi)溫度時(shí)，降低環(huán)境相對(duì)濕度和提高氣泡外溫度的方法可以降低氣泡的表面張力，從而有利于獲得更細(xì)的纖維；其次，本文利用高速攝像機(jī)拍攝了氣泡在無氣流場(chǎng)和有氣流場(chǎng)作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)氣泡在破裂時(shí)，壁厚減小為最初的六分之一，而且射流在氣流的作用下會(huì)在紡絲線處發(fā)生擺動(dòng)，同時(shí)氣泡破裂產(chǎn)生的多射流導(dǎo)致了最初纖維射流的分離，并在氣流作用下完成了牽伸與抱合，形成了由納米纖維抱

5、合組成的纖維束；此外，本文在對(duì)氣泡射流受力分析的基礎(chǔ)上，初步建立了射流在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程。
　　為了研究紡絲工藝參數(shù)對(duì)氣流氣泡紡所得纖維直徑及產(chǎn)品形貌的影響，本文選取了氣流初始溫度、氣流初始速度、儲(chǔ)液發(fā)泡管口徑、紡絲距離和熱氣流噴管與儲(chǔ)液發(fā)泡管間的夾角五種參數(shù)并進(jìn)行了相關(guān)單因素實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：氣流氣泡紡所得納米纖維及纖維束的直徑隨著氣流初始溫度、氣流初始速度和紡絲距離的增大而減小，但隨著發(fā)泡管口徑、氣流與儲(chǔ)液發(fā)泡管間夾角的增大而

6、增大；通過方差分析，五種參數(shù)都是影響納米纖維直徑及纖維束直徑的顯著性因素。綜合考慮可紡性、產(chǎn)物形貌與質(zhì)量、能耗、設(shè)備加工難易程度與實(shí)驗(yàn)方便性，本文以所得產(chǎn)物的納米纖維直徑在400nm附近、纖維束直徑在40μm左右的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為依據(jù)，所得優(yōu)化的參數(shù)為：氣流初始溫度為160℃，氣流初始速度為40m/s，發(fā)泡管口徑為10mm，紡絲距離為35cm，氣流與儲(chǔ)液發(fā)泡管間的夾角為40°。
　　為了研究紡絲液性能對(duì)氣流氣泡紡所得產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能的影響

7、，本文在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，首先配制了三種不同濃度的聚酰胺6/66紡絲液，并選擇四種不同類型的表面活性劑——有機(jī)硅季銨鹽、甜菜堿、吐溫60和十二烷基苯磺酸鈉，通過調(diào)整濃度與配比，分析了紡絲液以及表面活性劑在酸性體系下的表面張力和流變行為的變化情況，結(jié)果表明：在不加表面活性劑的情況下，紡絲液的表面張力和零剪切粘度都隨著聚酰胺6/66濃度的增加而增大；添加不同濃度不同類型的表面活性劑后，紡絲液的表面張力和零剪切粘度都有不同的變化趨勢(shì)。其中

8、，非離子表面活性劑吐溫60對(duì)紡絲液的表面張力和零剪切粘度降低程度最大，分別由41.08mN/m降為33.38mN/m和由1.73Pa.s降為1.51Pa.s；其次，對(duì)不同濃度的PA6/66紡絲液以及添加不同濃度不同類型的表面活性劑所得紡絲液進(jìn)行氣流氣泡紡絲實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得產(chǎn)物通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及通過熱穩(wěn)定分析和力學(xué)性能表征其相關(guān)性能。結(jié)果表明：在不加表面活性劑的情況下，所得納米纖維及纖維束的直徑、熱穩(wěn)定性和斷

9、裂強(qiáng)度都隨著紡絲液濃度的增加而增大，但是其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)并沒有明顯變化；添加不同濃度不同類型的表面活性劑后，所得納米纖維及纖維束的結(jié)構(gòu)與性能都有不同的變化趨勢(shì)，但并無明顯統(tǒng)一的規(guī)律。綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇12％PA6/66、1.5%吐溫60時(shí)，所得納米纖維束的形貌結(jié)構(gòu)與綜合性能最佳，此時(shí)納米纖維直徑為317.8±54.8nm，纖維束直徑為18.6±1.5μm，熱分解溫度為439.7℃，斷裂強(qiáng)度和初始模量分別為6.51±0.47MPa和17

10、.49±1.34MPa，而斷裂伸長(zhǎng)率為24.67±2.18%。
　　為了進(jìn)一步提高和改善聚酰胺6/66納米纖維束的性能，本文將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多壁碳納米管（MWCNTs）經(jīng)不同方式處理后加入到PA6/66溶液中，首先探討了混合紡絲液的性質(zhì)變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過吐溫60/超聲波處理的MWCNTs比僅用超聲波處理和無處理的MWCNTs加入紡絲液后的表面張力都低，零剪切粘度最小而且分散性最好，溶液穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)。其次考察了不同MWCNTs

11、濃度在不同處理方式下對(duì)所得復(fù)合納米纖維束結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明：所得復(fù)合納米纖維及纖維束的直徑都比純PA6/66的大，并且納米纖維和纖維束的直徑都隨著MWCNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大；但在相同 MWCNTs濃度不同處理方式下，吐溫60/超聲波處理的0.5%MWCNTs所得的復(fù)合納米纖維及纖維束的直徑最小，分別為284.4±53.4nm和40.4±5.3μm；而所得復(fù)合納米纖維束的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)并沒有因?yàn)镸WCNTs的加入及其處理方式不同

12、而有明顯變化。添加MWCNTs后，復(fù)合納米纖維束的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電學(xué)性能相比純PA6/66都有較大提高，其中當(dāng)MWCNTs的濃度為1.5%時(shí)，由吐溫60/超聲波處理后所得復(fù)合納米纖維束的性能最優(yōu)，此時(shí)熱分解溫度提高了38.5℃，斷裂強(qiáng)度和初始模量分別增大了196.88%和80.91%，而斷裂伸長(zhǎng)率降低了17.27%，但電導(dǎo)率從10-13S/m提高為10-6S/m，增大了7個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　總之，氣流氣泡紡是一種短流程的制備納米