靜電紡絲納米纖維形態(tài)影響因素的分析與驗證.pdf

1、靜電紡絲是一種操作簡單，能夠直接連續(xù)制備聚合物納米纖維的重要技術，是基于高壓靜電場下導電流體產生高速噴射的原理發(fā)展而來。由于其研究涉及到流變學、力學、電學等多種學科及其過程的瞬時性，因此關于靜電紡絲的技術參數特別是溶液的技術參數對收集纖維形態(tài)影響的研究和報道很少。
　　 首先，本文系統(tǒng)分析了靜電紡絲時靜電場中的電勢及射流在靜電場中運動所受到的作用力。由于紡絲液的粘度和導電性是影響靜電紡絲纖維形貌和直徑的兩大主要參數，因此本文在系

2、統(tǒng)闡述靜電紡絲所需的電壓及射流半徑的理論基礎上，深入探討了紡絲液的粘度與電導率對靜電紡絲納米纖維形貌與直徑的影響，提出了在靜電紡絲過程中射流表面從部分電荷到滿電荷的情況下，溶液粘度對收集到纖維直徑(d)的影響規(guī)律的計算方法。
　　 本論文利用自制的靜電紡絲裝置紡制了三種不同溶液的納米纖維，來驗證所提出的關于影響靜電紡絲納米纖維形態(tài)的模型。這三種聚合物溶液分別為具有柔性分子鏈的聚環(huán)氧乙烷(PEO/DIwater)溶液、本實驗室合成

3、的具有剛性分子鏈的聚酰胺酸(PAA/DMAc)溶液及利用原位聚合法得到的分子鏈剛柔性介于前兩者之間的聚間苯二甲酰氯間苯二胺(PMIA)的MWNTs/PMIA/DMAc混合溶液。
　　 配置分子量為4×105的四種不同濃度聚環(huán)氧乙烷水溶液。為了得出驗證關系模型所需無機鹽氯化鋰(LiCl)的最佳添加量，分別在這四種不同濃度的溶液中添加不同含量的氯化鋰，利用數字電導率儀測量它們的電導率，發(fā)現當加入量從0.2wt％上升到0.3wt％時，

4、電導率的值有比較大的提高，但是當加入量為0.4wt％和0.5wt％時，測出電導率的值沒有明顯提高。在溶液濃度為10wt％時，對加入不同含量鹽的溶液進行靜電紡絲。發(fā)現當含鹽量超過0.3wt％時，靜電紡絲過程中出現有連絲現象。對所得到的纖維SEM圖像進行分析，得出LiCl最佳添加量為0.2wt％和0.3wt％。
　　 對LiCl含量為0.2wt％和0.3wt％時，不同濃度的溶液進行靜電紡絲，獲得納米纖維氈，采用掃描電子顯微鏡(SEM

5、)來觀察纖維的形貌，利用ImagePro-plus6.0圖像處理統(tǒng)計軟件對所獲得的SEM圖片中的纖維直徑進行統(tǒng)計。發(fā)現隨著含鹽量的提高，纖維的平均直徑減小，離散度減小，但是隨著溶液粘度的增加，纖維直徑幾乎不發(fā)生改變，所以在影響纖維直徑上溶液粘度要比其電導率顯著，占主要地位。無機鹽的加入，能使紡絲過程變得容易且穩(wěn)定，所得的纖維形貌比較好，且纖維直徑分布頻率圖由雙峰變?yōu)閱畏濉?br>　　 采用本文第二章關于直徑預測的方法對PEO納米纖維進

6、行分析驗證，發(fā)現實驗值和理論值比較吻合。
　　 用等摩爾比的4，4′-二苯四甲酸二醚酐(4，4′-oxydiphthalicacid，ODPA)和對苯二胺(p-phenylenediamine，PPD)，以NN-二甲基乙酰胺(N，N-Dimethytacetamide，DMAc)為溶劑并在氮氣保護下聚合，得到固含量為40wt％的聚酰胺酸(PAA)溶液，稀釋得到一系列固含量分別為22wt％，24wt％，26wt％和28wt％的PA

7、Ａ溶液。將每種濃度的溶液分成5份，分別加入0.1wt％，0.2wt％，0.3wt％，0.4wt％和0.5wt％的LiCl。采用與第三章類似的測試和分析方法，得出實驗驗證的最佳LiCl含量分別為0.2wt％和0.4wt％。
　　 對LiCl含量為0.2wt％和0.4wt％的不同濃度的溶液進行靜電紡絲，獲得納米纖維氈，采用與第三章類似的測試和分析方法，得出PAA纖維的變化和PEO纖維有同樣的變化規(guī)律。
　　 采用本文第二章關

8、于直徑預測的方法對PAA納米纖維進行理論驗證分析，發(fā)現加鹽量較少時，實驗值稍微偏離本文第二章的預測值，但是隨著加鹽量的提高，實驗值和預測值趨于一致。
　　 采用原位聚合方法合成質量分數分別為0wt％，1wt％，1.5wt％和2wt％的MWNTs)/PMIA（PMIA的質量分數為12.5wt％）四種混合溶液，同時對MWNTs/PMIA=1wt％，PMIA=12.5wt％的混合溶液進行稀釋，得到濃度為9wt％，10wt％和11wt％

9、的三種溶液。利用自主設計的新型接收裝置，對以上七種混合溶液進行靜電紡絲。
　　 研究溶劑DMAc對混合溶液電導率及靜電紡絲纖維形態(tài)的影響。發(fā)現溶劑DMAc能極大提高溶液的電導率，且隨著DMAc加入量的增加，電導率逐漸提高，即溶液濃度的下降，溶液的電導率上升。隨著溶劑含量的減少，纖維上紡錘狀結構逐漸減少，纖維的形貌變得規(guī)整，收集到的纖維比較多，纖維的直徑也逐漸增大。
　　 對不同MWNTs含量的溶液電導率和靜電紡絲纖維形態(tài)

10、進行分析，發(fā)現隨著MWNTs的增加，溶液的電導率呈上升趨勢。不含MWNTs時，收集的纖維中存在一些紡錘狀結構，纖維的直徑分散大，并且有些單根纖維的直徑不均勻。隨著加入MWNTs量的增加，纖維分布均勻，直徑減小，且離散度減小。隨著MWNTs含量的增大，由于溶液具有高的粘結性，導致收集的纖維出現比較嚴重的并絲現象，且固化后的纖維有較多的殘余電荷，使得靜電斥力變大，纖維之間間距變大，導致纖維的取向性變差。
　　 為了研究復合纖維的熱穩(wěn)

11、定性和結晶性能，對復合纖維和單組份纖維進行熱失重分析(TGA)和X-射線衍射(XRD)。TGA表明隨著MWNTs加入量的增加，與單組份的纖維相比，復合纖維的熱分解開始溫度并沒有很大的提高，但是隨著溫度的升高，質量殘余變大，因此熱穩(wěn)定性有一定的提高。XRD數據顯示了多壁碳納米管的加入，相對強度的衍射峰變窄，說明晶粒尺寸變大，而衍射峰的樣式與芳綸1313的幾乎重合，因此并不改變芳綸1313的結晶類型，但是結晶度有所提高。
　　 靜電

12、紡絲紡制的復合和單組份納米纖維的透射電子顯微鏡(TEM)圖表明:碳納米管的確存在于復合纖維中且沿著纖維的軸向排列。在靜電紡絲時靜電力最先作用在泰勒錐的頂端，導致了大部分的MWNTs集中排列在靜電紡納米纖維的中心，形成類似于同軸靜電紡紡出的纖維，且隨著MWNTs含量的增加，這種現象更加明顯。TEM圖像還表明了隨著MWNTs含量的增加，纖維的表面變得粗糙。
　　 對MWNTs/PMIA=1wt％，PMIA=12.5wt％時的溶液粘度