静电纺丝中用滚筒辅助动态水接收装置制备定向聚丙烯腈纳米纤维

陈泉 周新 朱宇 李洪玲 彭宁 白续铎

摘 要：采用滚筒辅助动态水接收装置，用静电纺丝法制备定向聚丙烯腈纳米纤维。研究了滚筒转速等因素对纳米纤维定向性的影响，电子显微镜分析结果表明，在滚筒达到一定的转速后，可以得到定向性极佳的聚丙烯腈纳米纤维。

关键词：静电纺丝 聚丙烯腈 纳米纤维 滚筒辅助 动态水 定向性

中图分类号：TQ342.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

静电纺丝方法由于其简便性和有效性，是目前制备聚合物纳米纤维的主要方法，已用于多种聚合物纳米纤维的制备[1]。用静电纺丝方法大量制备无序纳米纤维即纤维毡或无纺布的技术已趋于成熟，但大量制备定向有序纳米纤维仍面临巨大挑战。有序纳米纤维有广阔的应用领域，如微电子领域、光电领域等，并且人们希望得到定向排列的纳米纤维束以增强其机械性能。人们对静电纺丝方法制备定向有序纳米纤维进行了卓有成效的研究，例如采用滚筒或转盘接收装置[2-3]，静态或动态液体接受装置等。采用滚筒作为接收纳米纤维的方法是众多定向收集方法中比较简便易行的一种。采用这种收集方法，滚筒速度是一个重要参数，然而速度并不是任意选取的，速度过低时，滚筒的表面速度赶不上电纺过程中纳米纤维伸直的速度，这样势必造成无序纤维的沉积；速度过高时，滚筒给纳米纤维施加以很大的拉伸力，这样往往导致纳米纤维的断裂。然而，无论怎么控制滚筒速度，总是会得到一部分无序的纳米纤维。采用液体接收与传统湿法纺丝有些类似。Smit等人[4]采用该法将聚丙腈等高聚物电纺到水中槽中，将其通过手工牵引到滚筒上，然后通过滚筒打捻收集。这种得到取向纳米纤维捻的方法具有潜在应用价值。Teo等人[5]采用动态水接收电纺纤维，即使用了两个上下放置的水槽，并在上面的水槽底部开一小孔（孔径5 mm），通过该小孔产生水的漩涡，沉积在水面的纤维在漩涡的作用下，拉伸成捻，然后通过人工牵引最终收集再滚筒上。该方法由于采用了水流的作用因而定向作用明显好于静态法的定向作用。但是该装置由于利用水漩涡的作用，因而小孔不能太大，这样不利于大规模电纺。聚丙烯腈纤维是碳纤维的前驱体，聚丙烯腈纤维的直径越细，碳纤维的性能越好，因此制备定向性聚丙烯腈纳米纤维具有重要意义。该文采用滚筒辅助动态水接收装置在静电纺丝中连续定向制备聚丙烯腈纳米纤维，这对规模生产具有巨大的潜在应用

价值。

1 实验部分

1.1 实验样品和实验仪器

实验室自制分子量约为40万聚内烯腈（PAN），溶于DMF配置成纺丝液。纺丝用高压静电发生器：BGG，北京市机电研究院；场发射扫描电子显微镜：MX2600FE，Camscan。

1.2 纺丝装置

静电纺丝装置主要由高压静电发生器、多孔喷头、平稳水流和滚筒等组成，如图1所示。

2 结果与讨论

图2为不同转速下滚筒辅助动态水接收装置电纺PAN纳米纤维的数码照片。由图2（a）—（d）可以观察到，在几种转速下，滚筒上所接收到的纳米纤维均沿着滚筒的垂直方向取向，其定向性随着转速的增大而增大，尤其在（c）1000 r/min和（d）1250 r/min的纳米纤维均出现了明显的集中现象（黑箭头所示），这种集中的形态反映了更高的定向。

图1 滚筒辅助动态水接收装置图

图2 不同转速下滚筒辅助动态水接收装置电纺PAN

纳米纤维的数码照片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；

c） 1000 r/min；d） 1250 r/min。

图3为滚筒在不同转速下的PAN纳米纤维的电子显微镜照片。由图可知，纤维在250 r/min的转速下定向性最差，而在750 r/min、1000 r/min的转速下定向性较好，在1250 r/min时定向性最好，这也与图2的照片相吻合。这些结果表明，只有在较高的转速下，才能得到很好的定向聚丙烯腈纳米纤维。

图3 不同转速下滚筒辅助动态水接收装置电纺PAN纳米纤维的SEM图片

a） 250 r/min；b） 700 r/min；c） 1000 r/min；d）1250 r/min

3 结语

采用滚筒辅助动态水接收装置进行多孔喷丝的静电纺丝方法，在滚筒转速达到1250 r/min可以得到定向性很好的聚丙烯腈纳米纤维。该方法在定向聚丙烯腈纳米纤维的规模生产上具有巨大的潜在应用价值。

参考文献

[1] Huang Z.H.，Zhang Y.Z.，Kotaki M.，et al.，Composites Science and Technology，2003，63：2223.

[2] Katta P.，Alessandro M.，Ramsier R.D.，Nano Letters，2004，4：2215.

[3] 陈玉龙，陈泉，张文晶，等.静电纺丝法制备高定向性聚丙烯睛纳米纤维束[J].科技创新导报，2011（35）：92.

[4] Smit E.，Buttner U.，Sanderson R.D.，Polymer，2005，46：2419.

[5] Teo W.E.，Gopal R.，Ramaseshan R.，et al.Polymer，2007，48：3400.