PVA纳米纤维膜的制备及微观形貌研究

1、第21卷第2期2010年4月中原工学院学报J OU RNAL OF ZHON GYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.21No.2Apr.,2010收稿日期:2010-03-12基金项目:河南省重点科技攻关项目(092102210080作者简介:何晓伟(1984-,女,山东平度人,硕士研究生.文章编号:1671-6906(201002-0014-06PVA 纳米纤维膜的制备及微观形貌研究何晓伟,张朝奎,刘红燕,陈燕,潘玮(中原工学院,郑州450007摘要:应用静电纺丝法制备了表面光滑平整、纤维细度均匀的PVA 纳米纤维膜.采用扫描电镜观察方法,研究了溶液浓

2、度、电压强度、注射速度、接收距离对纤维微观形貌的影响,得到了PVA 溶液静电纺丝比较合适的工艺参数:溶液浓度8%,电压强度16kV ,注射速度0.020ml/min ,接收距离15cm.关键词:PVA ;静电纺丝;工艺参数;微观形貌中图分类号:TQ342.41文献标识码:A DOI :10.3969/j.issn.167126906.2010.02.004聚乙烯醇(PVA 具有良好的化学稳定性和物理机械性能,常作为粘合剂应用于涂料、纸品加工等领域;,作为生物材料广泛应用.研究静电纺丝法制备PVA 纳米纤维的研究者很多,关于这方面的报道也层出不穷,但主要集中在对不同牌号PVA 的可纺性1、静电纺

3、丝工艺参数2以及利用PVA 复合纤维制造无机纳米纤维3等几个方面.由于静电纺丝产品对环境以及设备有较高的要求,因此静电纺丝的工艺参数需要不断探索.本文在相同的温度和湿度条件下讨论了影响静电纺丝工艺的4个参数,最终选出了比较合适的工艺参数.1实验1.1实验材料PVA :平均聚合度1750±50,天津市大茂化学试剂厂生产;冰乙酸:分析纯级,天津市福晨化学试剂厂生产.1.2实验过程将一定质量的PVA 溶于含有3%冰乙酸的去离子水中,室温溶胀1h ,然后90回流搅拌1h 至溶解.配制质量分数为6%、7%、8%、9%、11%、13%的PVA 水溶液.在温度20、湿度60%条件下,采用控制变量法

4、和优选法依次得到不同溶液浓度、不同电压强度、不同接收距离、不同注射速度条件下的纤维膜,然后对纤维膜进行扫描电镜观察.1.3测试与表征用L VDV E 型数显粘度计(天津德盟设备公司测出PVA 溶液的粘度;用DDS 320型电导率仪(上海越凰设备有限公司测得PVA 溶液的电导率;纳米纤维膜的微观形貌用J SM 6360型、J SM 6330型(日本电子公司扫描电子显微镜观察.2结果与讨论2.1浓度对纤维形貌的影响图1中a 、b 、c 、d 、e 、f 分别是6%、7%、8%、9%、11%、13%的PVA 溶液在16kV 的电压强度、0.010ml/min 的注射速度、15cm 的接收距离条件下进

5、行静电纺丝所得纤维膜的扫描电镜照片.由图1可以看出:当溶液溶度较小(<8%时,有大量串珠存在,纤维像是带有串珠的项链.随着溶液浓度的增加,珠滴第2期吴仲辉等:基于无速度传感器的并联双感应电机矢量控制仿真研究 图1不同浓度的PVA 溶液的静电纺丝纤维SEM 照片数量减小,但是浓度增加到11%时串珠又开始大量出现.由图1c 可以直观地看出纤维直径较为均匀,所以本实验选取8%的PVA 溶液作为静电纺丝液.溶液浓度是影响纳米纤维形态的重要因素,它主要是通过粘度和电导率来影响纤维形态的.当溶液浓度小于8%时,电导率的变化不大,影响纤维可纺性的主要因素是粘度(见表1.由于粘度较小(<8%,从喷

6、丝口喷出的溶液难以形成持续的细流,在电场中不能被完全拉伸,形成串珠状纤维(见图1a 、图1b .随着浓度的增加,粘度和电导率都有所增加(8%9%.溶液增大,粘度增大,在电场中能够形成持续细流,而被拉伸成丝,然后经不对称鞭动,丝分裂成更细的丝,落到接收板上.溶液浓度继续增大(>9%,其粘度和电导率都有激增的趋势(见表1.由于浓度增大,粘度增大,电荷密度增大,喷丝口喷出的细流被拉伸,形成丝,丝所受电场力增大,在电场中不对称鞭动频率增加,但是由于粘度较大,丝劈裂困难造成粗细不均现象(见图1f .另外,由于电荷密度较大,细流在电场中坠落时间51中原工学院学报2010年第21卷变短,未拉伸完全就已

7、到达接收板,导致串珠的出现(见图1e .表1不同浓度的PVA 溶液在20时的粘度和电导率PVA 浓度/%粘度/(MPa S 电导率/ms (cm -1678911131700.11877.02085.02190.84500.632.6352.8552.8963.1483.7771.314注:3表示由于粘度太大,实验仪器达不到要求,未测出准确数据.2.2电压强度对纤维形貌的影响图2所示是8%的PVA 溶液在0.010ml/min 的注射速度、15cm 的接收距离、不同电压强度条件下进行静电纺丝的扫描电镜照片,其中a 、b 、c 、d 、e 是电压强度分别是12kV 、14kV 、16kV 、18

8、kV 、20kV 时纤维的SEM 照片.由图2可以很直观地看出,电压强度为14kV 和16kV (见图2b 、图2c 时得到的纤维直径较为均匀,而且纤维膜上液滴较少.所以本实验选取16kV 的电压强度作为8%PVA 水溶液静电纺丝电压. 图2不同电压强度下PVA 纤维SEM 照片电压强度是通过影响电场中细流的电荷密度来影响静电纺丝效果的.电压增大,细流表面电荷的静电斥61第2期何晓伟等:PVA 纳米纤维膜的制备及微观形貌研究力增加,有利于形成更细的纤维4,但是这又会使细流以更快的速度离开喷丝口,造成细流流动不稳定,部分纤维的直径增加5.由于电压强度跨度较小,所得纤维的形貌受电压影响不是很明显,

9、但是也能看出一种趋势:随着电压的增大,纤维直径向更细和更粗2个方向发展.2.3接收距离对纤维形貌的影响图3所示是8%的PVA 溶液在电压强度为16kV 、注射速度为0.010ml/min 条件下,接收距离分别为5cm 、10cm 、15cm 、20cm 时的纤维照片.实验过程中,还选取了25cm 作为参照,但由于注射泵工作极不稳定,未继续进行纺丝.由图3可以看出,接收距离对纤维的直径的影响较小,而且接收距离较大,注射泵工作不稳定,所以本实验选择15cm 作为PVA 溶液静电纺丝的接收距离参数. 图3不同的接收距离下PVA 静电纺丝纤维SEM 照片接收距离也是静电纺丝中的一个重要的过程参数,它主

10、要是通过改变电场强度来影响纤维形貌的.当接收距离较小时,电场中细流所受静电力较大,细流在电场中坠落时间短、劈裂频率减小、拉伸不充分,从而导致溶剂挥发不完全,落到接收板上的纤维互相粘连(见图3a ,出现再溶解现象.随着接收距离的增加,这种情况得到了解决,所得纤维直径比较均匀,表面光滑平整.2.4注射速度对纤维形貌的影响图4所示是8%的PVA 溶液在电压强度16kV 、接收距离15cm 条件下,注射速度分别为0.002ml/min 、0.010ml/min 、0.015ml/min 、0.025ml/min 时静电纺丝所得纤维的高倍和低倍扫描电镜照片.由图4可以看出:在其他条件相同的条件下,当注射

11、速度较小时,有串珠状的纤维存在(见图4c ,纤维的直径分布不很均匀,而且纤维膜表面粗糙,有未经拉伸的小颗粒的存在(见图4d ;而当注射速度为0.0150.025ml/min 时,所得的纤维直径分布均匀(见图4e 、图4g ,而且纤维膜表面较为光滑平整(见图4f 、图4h .由本实验可以看出,0.0150.025ml/min71中原工学院学报2010年第21卷 图4不同注射速度下PVA 纤维的SEM 照片81 2期 第 何晓伟等 : PVA 纳米纤维膜的制备及微观形貌研究 19 为 PVA 静电纺丝比较合适的注射速度区间 . 注射速度也是静电纺丝过程中的一个重要的过程 参数 . 注射泵可以给纺丝

12、液提供静压力 ,使之流向针头 顶端 ,高压电源又提供给针头顶端纺丝液滴电场力 ,使 之离开针头 ,只有当这 2 个力达到平衡时 ,液体细流才 能稳定运动 ,形成直径均匀的纤维 ,否则会出现串珠状 纤维 5 . 在纺丝过程中 , 还出现了一个不容忽视的问 题 : 当注射速度为 0. 025 ml/ min 时 , 会有一部分的溶 液从针头顶端直接滴落到接收板的中央位置 . 这是由 于注射速度过快 ,在针头顶端积累的液滴带有大量的 电荷 ,在静电力和重力的作用下直接坠落 . 探讨 . 实验结果表明 : 当电压强度 、 接收距离 、 注射速 度一定时 ,随着溶液溶度的增加 ,纤维会由串珠状转变 成直

13、线状 ,纤维直径会有所增加 ; 当溶液浓度 、 接收距 离、 注射速度一定时 , 随着电压强度的增加 , 纤维直径 分布变宽 ,而且串珠状纤维增多 ; 当溶液浓度 、 电压强 度、 注射速度一定时 , 随着接收距离的增加 , 纤维直径 变化不大 ; 当溶液浓度 、 电压强度 、 接收距离一定时 ,随 着注射速度的增加 ,纤维直径更加均匀 ,而且纤维膜表 面光滑平整 . 根据 SEM 观察和具体的实验情况 ,在温度 20 、 湿度 60 %条件下 , PVA 溶液静电纺丝比较合适的工 艺参数是 : 溶液浓度 8 % , 电压强度 16 kV , 接收距离 15cm ,注射速度 0. 020 ml

14、/ min. 3 结 语 本文对 PVA 水溶液静电纺丝的工艺参数进行了 参考文献 : 1 徐德涛 . 聚乙烯醇静电纺丝工业化相关基础研究 D . 苏州 : 苏州大学 , 2007 : 6 - 8. 2 李杰 . 静电纺丝法制备聚乙烯醇纳米纤维 J . 船舶防化 , 2009 (4 :6 - 11. 3 刘莉 ,董相廷 ,王进贤 ,等 ,静电纺丝法制备 V203 纳米纤维与表征 J . 中国稀土学报 , 2008 ,26 ( 4 :400 - 404. 4 Hohman M M , Shin M , Rutledge G , et al. Elect ro spinning and Elect

15、 rically Fo rced J et . J . Stability Theo ry , Physics of fluids , 2001 , 13 (8 : 2201 - 2220. 5 Deitzel J M , Kleinmeyer J , Harris D , et al. The Effect of Processing Variables on t he Mo rp hology of Elect ro sp un Nanofibers and TextilesJ . Polymer , 2001 (42 : 261 - 272. Preparation and Microt

16、opography Study of PVA Nanof iber Membrane H E Xiao2wei , ZHAN G Chao2kui , L IU Ho ng2yan , C H EN Yan , PAN Wei ( Zho ngyuan U niversit y of Technology , Zhengzho u 450007 , China Abstract : In t his st udy , PVA nanofiber membrane was p repared by elect ro spinning. SEM has been ap 2 plied to view t he microtograp hy of t he PVA nanofiber membrane. Co ncent ratio n of PVA solutio n , voltage , in2 ject2speed and C2SD have been st udied for t hey can impact t he microtopograp hy of nanofiber membra