氣流氣泡紡制備微-納米纖維及其機理研究.pdf

1、納米技術已經(jīng)成為21世紀推動科技進步的主導力量之一，如何利用低能高效的方法制備各種特殊結構的納米材料是納米技術研究中的一個重要課題。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)良特性而極大地擴展了傳統(tǒng)紡織工業(yè)的應用領域，而結構化納米纖維制備技術的飛速發(fā)展將進一步推動納米纖維新產品的開發(fā)，加速紡織科技進步與產業(yè)轉型。
　　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）纖維上的發(fā)展歷史以及研

2、究現(xiàn)狀,總結了三種紡絲方法的主要特點及潛在優(yōu)勢,同時指出它們進一步發(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特優(yōu)勢以及氣流在紡織加工應用中發(fā)揮巨大作用的基礎上,本文首次提出了一種新型的紡絲方法——氣流氣泡紡。
　　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，本文研制了相關實驗裝置，并

3、對四種聚合物（聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、絲素蛋白和聚酰胺）進行氣流氣泡紡實驗驗證并與靜電紡絲進行了對比。結果表明：氣流氣泡紡得到的四種產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系,并改進了氣泡的Yo

4、ung-Laplace方程，理論推導表明通過減小氣泡的半徑、在氣泡外溫度大于氣泡內溫度時，降低環(huán)境相對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的纖維；其次，本文利用高速攝像機拍攝了氣泡在無氣流場和有氣流場作用時的動力學行為，發(fā)現(xiàn)氣泡在破裂時，壁厚減小為最初的六分之一，而且射流在氣流的作用下會在紡絲線處發(fā)生擺動，同時氣泡破裂產生的多射流導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，本文在對氣泡射流受力分析的基礎上，初步建立了射流在氣流場中的運動方程。
　　為了研究紡絲工藝參數(shù)對氣流氣泡紡所得纖維直徑及產品形貌的影響，本文選取了氣流初始溫度、氣流初始速度、儲液發(fā)泡管口徑、紡絲距離和熱氣流噴管與儲液發(fā)泡管間的夾角五種參數(shù)并進行了相關單因素實驗。結果表明：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、產物形貌與質量、能耗、設備加工難易程度與實驗方便性，本文以所得產物的納米纖維直徑在400nm附近、纖維束直徑在40μm左右的實驗參數(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，氣流與儲液發(fā)泡管間的夾角為40°。
　　為了研究紡絲液性能對氣流氣泡紡所得產物結構與性能的影響

7、，本文在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎上，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——有機硅季銨鹽、甜菜堿、吐溫60和十二烷基苯磺酸鈉，通過調整濃度與配比，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。其中

8、，非離子表面活性劑吐溫60對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行氣流氣泡紡絲實驗，并對所得產物通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射進行結構分析以及通過熱穩(wěn)定分析和力學性能表征其相關性能。結果表明：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、裂強度都隨著紡絲液濃度的增加而增大，但是其聚集態(tài)結構并沒有明顯變化；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構與性能都有不同的變化趨勢，但并無明顯統(tǒng)一的規(guī)律。綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)當選擇12％PA6/66、1.5%吐溫60時，所得納米纖維束的形貌結構與綜合性能最佳，此時納米纖維直徑為317.8±54.8nm，纖維束直徑為18.6±1.5μm，熱分解溫度為439.7℃，斷裂強度和初始模量分別為6.51±0.47MPa和17

10、.49±1.34MPa，而斷裂伸長率為24.67±2.18%。
　　為了進一步提高和改善聚酰胺6/66納米纖維束的性能，本文將不同質量分數(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變化情況，結果發(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)定時間最長。其次考察了不同MWCNTs

11、濃度在不同處理方式下對所得復合納米纖維束結構和性能的影響，結果表明：所得復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質量分數(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；而所得復合納米纖維束的聚集態(tài)結構并沒有因為MWCNTs的加入及其處理方式不同

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