靜電紡PAN納米纖維膜的透氣透濕性能研究

何 斌，肖龍輝，龍 泉，華 珂，劉 濤

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湘潭 411104)

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靜電紡PAN納米纖維膜的透氣透濕性能研究

何 斌，肖龍輝，龍 泉，華 珂，劉 濤

(湖南工程學院 紡織服裝學院，湘潭 411104)

通過靜電紡絲技術(shù)制備了不同厚度的聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜，并對其形態(tài)、透氣透濕性能及拉伸力學性能進行了測試分析.研究發(fā)現(xiàn)，PAN納米纖維成纖良好，纖維連續(xù)且分布均勻，直徑分布約在80～600 nm范圍內(nèi)；納米纖維膜的透氣性隨著膜厚度的增加而降低，但透濕量和厚度之間并沒有明顯規(guī)律可尋，不同厚度膜的透濕性能良好，透濕量相差不大，約在5000～5300 g/(m2·d)范圍內(nèi)；納米纖維膜的斷裂強度隨著厚度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，厚度為50 μm時，斷裂強度達到最大值，為0.79 MPa.

靜電紡絲；聚丙烯腈；透氣透濕性能；力學性能

靜電紡技術(shù)是利用聚合物溶液或熔體在靜電作用下進行噴射拉伸而獲得連續(xù)性纖維的紡絲方法[1].與常規(guī)纖維相比，該方法所制備的纖維直徑小了2～3個數(shù)量級，其直徑一般為幾個納米到幾十個微米之間，具有長徑比大、比表面積高等特點，且靜電紡制得的納米纖維膜/氈具有獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔隙率高，這些獨特的性能使得靜電紡納米纖維在過濾、防護、醫(yī)學、超疏水和超吸水等領(lǐng)域具有非常大的潛在應用價值[1-3].

聚丙烯腈(PAN)是由單體丙烯腈經(jīng)自由基聚合反應而得到的，其外觀為不透明的白色或略帶黃色的粉末狀，它主要用于制聚丙烯腈纖維.常規(guī)的聚丙烯腈纖維具有質(zhì)輕柔軟、保形性好、耐日曬性好，且具有良好的耐溶劑性、耐老化性和絕緣性以及防蛀、防霉等特點，已被廣泛應用與服裝面料、過濾材料及產(chǎn)業(yè)用如提高混凝土性能等方面[1,4,5].PAN也是一種常見的靜電紡聚合物材料，由于其成纖性好，所制備的納米級纖維粗細均勻、形態(tài)良好，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻進行了報道.皇甫晨晨等[6]探索了靜電紡PAN納米纖維的制備工藝.文獻[1,7-9]研究了靜電紡PAN納米纖維膜的微觀結(jié)構(gòu)及其過濾性能，探討了制備工藝和過濾性能之間的關(guān)系.Wang 等[10]采用靜電紡制備了聚乙烯醇/PAN納米纖維復合膜，再進行油/水乳液的過濾性能測試，研究表明，當操作壓力為0.3 MPa時，復合膜的水通量高達2101 L /(m2·h)，截留率達到99.5%.Cao 等[11]制備了氧化黃麻纖維素納米晶須增強靜電紡雙層PAN納米纖維膜，并測試了其過濾性能，研究發(fā)現(xiàn)該膜對7～40 nm的粒子有很好的過濾效率.查證資料表明，目前鮮有文獻針對靜電紡PAN納米纖維膜的透氣透濕性能進行研究探討.

本文通過靜電紡絲制備PAN納米纖維膜，并研究其透氣透濕性能，以期能在擴展PAN納米纖維膜的應用領(lǐng)域方面提供一定的參考意義.

1 實驗

1.1 實驗材料

聚丙烯腈粉料，平均相對分子量150000，購自浙江省紹興捷馬復合材料有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，由廣東光華科技股份有限公司提供.

1.2 紡絲液的制備

首先把PAN放置在45 ℃的D2F06050型真空干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)中烘干，然后用梅特勒PL203型電子天平分別稱取一定量的PAN和DMF，把PAN添加到DMF中用S25-2型磁力攪拌機(上海司樂儀器有限公司)攪拌至PAN完全溶解，紡絲液中PAN質(zhì)量分數(shù)為16%.

1.3 靜電紡絲

在FM1302型靜電紡絲機(北京富友馬科技有限公司)上進行紡絲.前期已探索得到較優(yōu)化的紡絲工藝，其參數(shù)為：噴絲頭內(nèi)徑0.45 mm、紡絲電壓16 kV、紡絲流量7.5 ml·h-1、紡絲距離11 cm、收集輥轉(zhuǎn)速350 r·min-1、噴絲頭橫向移動速度12 cm·min-1.通過控制紡絲時間獲得不同厚度的納米纖維膜.

2 結(jié)構(gòu)與性能測試

2.1 納米纖維形態(tài)測試

將試樣PAN納米纖維膜用導電膠固定在試樣臺上，經(jīng)噴金處理后，用日立S-4800型掃描電子顯微鏡觀察納米纖維的形態(tài)，并記錄纖維集合體的圖像，并用圖像分析軟件(Image-Pro Plus 6.0)測試纖維的直徑，每個樣測試100根，取平均值.

2.2 納米纖維膜的厚度測試

采用上海川陸量具有限公司的數(shù)顯千分測厚規(guī)(精確到0.001 mm)對不同紡絲時間的纖維膜進行厚度測量，每組試樣測試10個有效數(shù)據(jù)，取平均值.

2.3 納米纖維膜透氣性能測試

在YG461E/Ⅱ數(shù)字式透氣量儀上對納米纖維膜的透氣性能進行測試，測試壓差為100 Pa/mm H2O，每個試樣測得5個有效數(shù)據(jù)，取平均值.

2.4 納米纖維膜透濕性能測試

參照GB/T 12704.1-2009《紡織品織物透濕性實驗方法》，在YG601電腦式織物透濕儀上進行納米纖維膜的透濕性測試.再根據(jù)公式1計算得到納米纖維膜的透濕量.

(1)

式中：WVT為透濕量[g/(m2·d)]，△m為同一試驗組合體2次稱重之差(g)，S為試樣試驗面積(m2)，t為測試時間(h).

2.5 納米纖維膜力學性能測試

采用YG021F型電子氨綸絲強力機來測試膜的拉伸力學性能，每個試樣測得十個有效數(shù)據(jù)，取平均值.試樣的規(guī)格：80 mm(長)×4 mm(寬)，夾距為50 mm，拉伸速度100 mm/min.利用公式2計算得到納米纖維膜的斷裂強度值.

(2)

式中：σ為斷裂強度(MPa)，F(xiàn)為斷裂強力(N)，W為試樣寬度(mm)，d為試樣厚度(mm).

3 結(jié)果與分析

3.1 PAN納米纖維膜的形態(tài)

圖1靜電紡PAN納米纖維膜的SEM圖(8000倍).可以看出，所制備的納米纖維成纖良好，纖維連續(xù)性好，分布均勻，形態(tài)結(jié)構(gòu)良好，直徑分布約在80～600 nm范圍內(nèi)，平均直徑約為285 nm，其直徑分布圖如圖2所示.

圖1 PAN納米纖維膜SEM圖

圖2 直徑分布圖

3.2 PAN納米纖維膜的透氣性能

圖3為不同厚度PAN納米纖維膜的透氣率.經(jīng)過探索，控制紡絲時間為5 min、11 min、19 min、29 min、36 min，紡制的膜厚度分別約為10 μm、30 μm、50 μm、70 μm、90 μm.由圖3可以看出，納米纖維膜的透氣率隨著厚度的增加而下降，尤其是10 μm厚到30 μm厚的膜，透氣率下降明顯，后面趨于緩和，且透氣率的標準偏差也隨膜厚度的增加而減小.其原因是隨著紡絲時間的增加，納米纖維直徑相互粘結(jié)的幾率增加，并逐漸形成層疊狀態(tài)，促使納米纖維膜的屈曲狀孔徑增多，直接連通狀的孔徑減少，導致膜的透氣性隨著厚度的增加而下降.隨著紡絲時間增加，膜的厚度均勻性變好，因此納米纖維膜的透氣率標準偏差減小.

圖3 PAN納米纖維膜的透氣率圖

3.3 PAN納米纖維膜的透濕性能

圖4為不同厚度PAN納米纖維膜的透濕量.由圖可知，不同厚度的納米纖維膜的平均透濕量基本都在5000～5300 g/(m2·d)范圍內(nèi)，納米纖維膜的透濕量和厚度之間并沒有明顯規(guī)律可尋，這和普通織物的透濕量和厚度之間的關(guān)系不吻合.根據(jù)普通織物的透濕理論，織物厚度增加，水分子與孔徑內(nèi)壁碰撞的幾率增加，則傳濕阻力增大，透濕量減小.但由于靜電紡納米纖維膜厚度相對偏小，則水分子運動平均自由程較小，且隨紡絲時間的增加，納米纖維之間相互粘結(jié)的幾率增加，纖維之間呈混亂粘結(jié)狀，并逐漸形成層疊狀態(tài)，促使納米纖維膜的屈曲狀孔徑增多，連通狀的孔徑減少，膜的孔隙率高而孔徑小，單個孔徑里所含的靜止空氣則相對較少，分子運動的阻力則小，水蒸汽分子運動變易.和普通織物透濕相比較，納米纖維膜的孔徑內(nèi)壁造成的傳濕阻力影響被減弱，所以厚度對膜的透濕量影響不大，這和文獻報道[12]的結(jié)果相符合.

圖4 PAN納米纖維膜的透濕量圖

3.4 PAN納米纖維膜的力學性能

圖5為不同厚度PAN納米纖維膜的拉伸力學性能.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，靜電紡PAN納米纖維膜的斷裂強度隨著厚度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，厚度為50 μm時，斷裂強度達到最大值，為0.79 MPa，此時斷裂伸長率約為28.6 %.這是因為，本實驗所制備的納米纖維膜為無規(guī)則排列的纖維集合體，纖維之間混亂交錯粘結(jié).纖維膜在承受拉伸負荷時，需要一定的外力來破壞粘結(jié)點之間的作用力，然后膜結(jié)構(gòu)開始松散，纖維相互之間發(fā)生滑移，并沿著拉伸方向取向排列，隨著拉伸負荷的增大，纖維發(fā)生斷裂.當纖維膜厚度增加時，單位面積上要拉斷的纖維數(shù)量增多，拉伸斷裂強度增大.但當纖維膜厚度增大到一定范圍后，發(fā)生層疊的纖維層與層之間的纖維相互交錯粘結(jié)作用可能減弱，導致拉伸時出現(xiàn)“脫層”現(xiàn)象，因此造成斷裂強度下降.

圖5 PAN納米纖維膜的應力-應變曲線

4 結(jié)論

本文通過靜電紡絲制備不同厚度的PAN納米纖維膜，并對復合納米纖維的形態(tài)、透氣透濕性能及力學性能進行了測試與分析.結(jié)果表明：

(1)PAN納米纖維成纖良好，纖維連續(xù)且分布均勻，直徑分布約在80～600 nm范圍內(nèi)，平均直徑約為285 nm；

(2)PAN納米纖維膜的透氣率隨著厚度的增加而下降，尤其是10～30 μm厚的膜，透氣率下降明顯，后面趨于緩和，透氣率的標準偏差隨膜厚度的增加而減??；

(3)不同厚度的納米纖維膜的平均透濕量基本都在5000～5300 g/(m2·d)范圍內(nèi)，透濕量相差不大，納米纖維膜的透濕量和厚度之間并沒有明顯規(guī)律可尋；

(4)PAN納米纖維膜的斷裂強度隨著厚度的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，厚度為50 μm時，斷裂強度達到最大值，為0.79 MPa，此時斷裂伸長率約為28.6 %.

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Study on Air Permeability and Moisture Permeability of Electrospun PAN Nanofiber Membrane

HE Bin，XIAO Long-hui，LONG Quan，HUA Ke,LIU Tao

(College of Textile and Fashion， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China)

Polyacrylonitrile (PAN) nanofiber membrane with different thicknesses are prepared by electrospinning, and the morphology and air permeability and moisture permeability and tensile mechanical properties of nanofiber membrane are tested and analyzed. The results show that the PAN nanofibers have a good fiber-forming, continuity and distribution with the range of diameter distribution from 80 nm to 600 nm. The air permeability of the nanofiber membrane decreases with the increase of the thickness. There is no direct relationship between moisture permeability and thickness of nanofiber membrane, which possess excellent moisture permeability with the range of air permeable volume from 5000 g/(m2·d)to 5300 g/(m2·d), and the value indicates less differences among different thicknesse membrane. The tensile breaking strength of nanofiber membrane increases first and then decreases with the increase of the thickness, and the maximum value is 0.79 MPa occurring at the thicknesses of 50 μm.

electrospinning； polyacrylonitrile； air permeability and moisture permeability； mechanical properties

2016-12-14

湖南省自然科學基金資助項目(2015JJ6023)；博士科研啟動基金(14082，14093)；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201611342005).

何 斌(1982-)，男，博士，講師，研究方向：紡織材料結(jié)構(gòu)與性能.

TQ340.64

A

1671-119X(2017)02-0053-04