周 琪 吳拓明 熊紫吟 蔣詩慧 黃仕卿

湖南工程學(xué)院(中國)

靜電紡絲技術(shù)是一種利用聚合物溶液或熔體在高壓靜電場作用下形成噴射紡絲的加工方法，是目前唯一可連續(xù)生產(chǎn)直徑為幾十納米到幾微米的超細(xì)纖維的制備工藝，引起國內(nèi)外研究者們的廣泛關(guān)注[1]。靜電紡絲技術(shù)具有簡單高效、纖維形貌靈活可控等優(yōu)點(diǎn)[2]。通過調(diào)整紡絲液的濃度或配比可獲得多種形貌和尺寸的聚合物纖維膜。靜電紡絲制備的微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)纖維膜在組織工程[3]、藥物緩釋[4]、油水分離[5-6]、光催化降解[7]、傳感[8-9]、電池隔膜[10]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但關(guān)于靜電紡絲微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)在功能性服裝上的應(yīng)用卻較少。本文采用靜電紡絲技術(shù)，將具有良好抗紫外性能的天然珍珠粉與聚丙烯腈(PAN)結(jié)合，制備具有微納米多級(jí)結(jié)構(gòu)的珍珠粉基靜電紡絲纖維膜，并測試其抗紫外性能，為相關(guān)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用主要設(shè)備為FM-1302型靜電紡絲設(shè)備(北京富友馬科技有限責(zé)任公司)、日立高新鎢燈絲掃描電鏡型SU 3500型，分別如圖1和圖2所示。

圖1 FM-1302靜電紡絲設(shè)備

采用HD 902C型防紫外線透過及防曬保護(hù)測試儀測試紡織品紫外線透過率和紫外線防護(hù)系數(shù)。該設(shè)備適用于美國AATCC 183—1998、英國BS 7914—1998、歐盟PREN 13758—2001、澳洲AS/NZS 4399—1996和中國GB/T 18830—2002標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 靜電紡PAN納米纖維膜的制備

設(shè)置3個(gè)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試紡，以獲得纖維形態(tài)良好的PAN納米纖維膜，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 紡絲工藝參數(shù)

1.3.2 珍珠粉微納結(jié)構(gòu)纖維膜的制備

采用靜電噴霧技術(shù)在PAN納米纖維膜表面形成珍珠粉微球，構(gòu)造PAN納米纖維膜與珍珠粉微球結(jié)合的微納結(jié)構(gòu)，從而制得珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜。

本試驗(yàn)在制備納米纖維膜的基礎(chǔ)上，設(shè)置3種不同的紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試紡，以獲得分布狀態(tài)良好的微球結(jié)構(gòu)，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 紡絲工藝參數(shù)

1.3.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜的制備

采用1.3.1節(jié)和1.3.2節(jié)試驗(yàn)所得較優(yōu)PAN溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改變珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表4)，制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，并測試其抗紫外性能。

表4 珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜電紡PAN納米纖維膜

按照1.3.1節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的紡絲工藝參數(shù)，對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%和16%的PAN溶液進(jìn)行靜電紡絲制備納米纖維膜，用掃描電鏡觀察其成膜形態(tài)，并測試PAN納米纖維膜的纖維直徑。不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的纖維膜試樣(A1～A3)的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示。

由圖3可知，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，纖維直徑較大，粗細(xì)不勻；PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，纖維直徑適中，但纖維直徑差異較大；相對(duì)而言，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，纖維直徑小且纖維細(xì)度均勻度高。不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的纖維膜的纖維直徑如表5所示。

a) 試樣A1

b) 試樣A2

c) 試樣A3

表5 不同PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備纖維膜的纖維直徑單位：nm

試樣編號(hào)第1次測量第2次測量第3次測量平均值A(chǔ)1192204226207A2484578377480A3667550474564

從表5可知，紡絲液PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)纖維直徑有明顯影響，在相同紡絲條件下，纖維直徑與紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN纖維膜成形最好。因此，宜選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN溶液制備納米纖維膜。

2.2 珍珠粉微納結(jié)構(gòu)纖維膜

按照1.3.2節(jié)的紡絲工藝參數(shù)，噴霧制備珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，通過SU 3500型掃描電子顯微鏡觀察到其噴霧效果，如圖4所示。

a) 試樣B1

b) 試樣B2

c) 試樣B3

圖4顯示，PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，PAN成纖較多，纖維形貌較密致，形成的網(wǎng)絡(luò)空間較小；PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，PAN成纖較稀疏，形成的網(wǎng)絡(luò)空間更大，更易于珍珠粉微球均勻分布。因此，宜采用PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的稀溶液制備含珍珠粉微球結(jié)構(gòu)的纖維膜。

2.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜的抗紫外性能

在納米纖維膜上使用不同珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.0%、0.5%、1.0%、1.5%)的PAN混合稀溶液進(jìn)行噴霧，烘干后進(jìn)行抗紫外性能測試。4種珍珠粉基微納纖維膜的抗紫外性能測試結(jié)果如表6所示，其中UVA、UVB和UPF分別為紫外長波、紫外短波和紫外線防護(hù)系數(shù)。

表6 不同珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維膜抗紫外性能測試結(jié)果

從表6數(shù)據(jù)可知，珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%時(shí)，制備的微納結(jié)構(gòu)纖維膜UPF為8.8，當(dāng)珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，UPF為14.8，相比未添加珍珠粉制備的微納結(jié)構(gòu)纖維膜，其UPF值提升了68.2%。數(shù)據(jù)表明，隨著珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，珍珠粉基微納結(jié)構(gòu)纖維膜的UPF值增大，抗紫外性能提高。

3 結(jié)論

本文利用靜電紡絲技術(shù)制備了珍珠粉基/PAN微納結(jié)構(gòu)纖維膜，并測試了其抗紫外性能，結(jié)論如下。

——PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的PAN溶液制備的纖維膜纖維直徑分布均勻，成形效果較好。

——PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的PAN溶液成纖較少，形成網(wǎng)絡(luò)空間大，珍珠粉微球分布較均勻。

——隨著珍珠粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.0%增加到1.5%，珍珠粉基微納結(jié)構(gòu)纖維膜的UPF值由8.8增加到14.8，纖維膜抗紫外性能提高。