聚醚砜的静电纺丝研究

乔家鑫，方泓钊，严玉蓉，2*

(1.华南理工大学 材料科学与工程学院，广东广州510640;2.华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东广州510640)

聚醚砜(PES)具有良好的化学和水解稳定性，强度高，pH值适应范围广(pH值1～13)，最高使用温度达129℃，抗氧化性和抗氯性均十分优良，因此已成为重要的膜材料之一［1］。用静电纺丝制备的纤维膜不仅质量轻、渗透性好，比表面积大，孔隙率高，内部孔隙的连通性好，是非常好的过滤材料［2－5］。在静电纺丝成形中，不同聚合物根据其自身结构决定其采用相应的溶剂体系。溶剂对聚合物的溶解性与聚合物分子链在溶剂中的缠结状态有关。由于分子链存在状态的差异，相同浓度的聚合物在其良溶剂和非良溶剂中的黏度和表面张力不同。因此，良溶剂和非良溶剂的配合使用成为了调节静电纺丝纤维的外观形貌及尺寸的重要方法［6－7］。作者采用二甲基甲酰胺/丙酮(DMF/AC)溶剂体系溶解PES后进行静电纺丝，研究静电纺丝工艺参数对纤维形貌和纤维直径的影响。

1 实验

1.1 原料与试剂

PES树脂:颗粒状，工业级，东莞市利之奥化工有限公司产;DMF:化学纯，江苏强盛功能化学股份有限公司产;AC:化学纯，广州市东红化工厂产。

1.2 实验方法

1.2.1 纺丝液的制备

在室温条件下，将一定量的PES树脂溶解于一定比例的DMF/AC溶剂体系中，经磁力搅拌器慢速搅拌直至PES颗粒完全溶解，将溶好的PES溶液静置至溶液中气泡消失，待用。

1.2.2 静电纺丝

采用华南理工大学材料学院的ESF-Y1静电纺丝设备进行静电纺丝:将纺丝液注入1 mL注射器中，注射器固定在静电纺丝装置上，喷丝口与静电发生器的阳极连接，收集装置接地、同时连接静电发生器的阴极，纺丝电压控制在10～20 kV，喷丝头到接收板距离为5～16 cm，纺丝液流量为0.5 mL/h，以锡箔纸为接收材料。

1.2.3 扫描电镜(SEM)测试

采用德国LEO公司制造的LEO 1530 VP场发射扫描电镜观测不同条件下静电纺丝纤维毡的纤维形貌和直径，并使用Image J分析软件对纤维直径进行量度、统计。

2 结果与讨论

2.1 纺丝液浓度

由图1可看出，以DMF/AC为纺丝溶剂时，随着纺丝溶液浓度的增加纤维表面由粗糙变得光滑。这是由于随着纺丝溶液浓度的升高，溶液黏度增大，溶剂所占比例降低，高分子链舒展状态降低，易形成紧密缠结结构，使得分子链在纺丝液中流动变差，纤维在固化过程中难以形成溶剂富集相和聚合物富集区，而溶剂富集区是形成纤维表面微孔或凹坑不规则结构的主要原因之一［8］。

图1 不同PES浓度的纺丝液的电纺纤维形貌Fig.1 Morphology of electrospun PES fiber with different PES concentration

从图1还可看出，随着PES纺丝溶液浓度的增加，纤维的平均直径随之变大。这是由于纺丝液浓度的升高导致射流劈裂阻力增大，在电场推力不变的情况下，射流无法劈裂成更细的纤维，进而引起直径变大。因此，选择纺丝液的PES质量分数13%为宜。

2.2 AC 含量

由图2可看出，随着AC用量的增加，纤维更加规整，串珠也随之减少。这是由于AC是PES的不良溶剂，AC的加入使得原本舒展的分子链段出现一定程度的紧缩，PES分子链之间的相互缠结加强，宏观表现为纺丝液的黏度升高，分子间缠结的提高一定程度上有利于减少串珠的形成。从图2还可看出，随着溶剂mDMF/mAC中AC比例的升高，纤维的平均直径逐渐变大。这是由于AC为PES的非良溶剂，DMF/AC比例对纤维直径的影响可以类同于浓度对纤维直径的影响，随AC用量的增加，纺丝液黏度上升，导致纤维直径变粗。由于AC的加入可导致在低的聚合物浓度下获得串珠较少，直径较均匀的PES纤维。根据朱丹丹［9］等以DMF为溶剂进行PES静电纺丝，当PES溶液质量分数大于16%时才可获得连续的纤维丝条，且串珠比较多，仅当溶液质量分数大于18%时串珠才相对较少，但此时所得纤维直径大于200 nm。由此可见，非良溶剂AC的加入有利于获得更细更均匀的 PES纤维。最佳的mDMF/mAC为8.5/1.5。

图2 AC含量对PES电纺纤维形貌的影响Fig.2 Effect of AC content on morphology of electrospun PES fiber

2.3 纺丝电压

从图3可以看出，纤维直径随着电压升高而增大，而对纤维形貌的影响不大。

图3 纺丝电压对PES电纺纤维形貌的影响Fig.3 Effect of spinning voltage on morphology of electrospun PES fiber

这是由于随着电压升高电场对纺丝液的作用增强，以致纤维的直径也随着增大。这印证了随着电压升高电场对纺丝液的作用增强，使得射流的喷射量也随着增加，导致纤维的直径也随着增大。实验中发现，当纺丝电压为15 kV时纺丝稳定性较好且纤维直径较小，其平均值为96 nm，故其最佳纺丝电压为15 kV。

2.4 接收距离

由实验结果可知，在wPES为13%，mDMF/mAC为8.5/1.5，电压15 kV，推进量0.5 mL/h 的条件下，接收距离分别为5，10，16 cm时，电纺PES的平均直径分别为105，96，110 nm。因此接收距离对纤维的平均直径影响较小，在接收距离为10 cm时，为最佳。

纤维接收距离对纤维直径影响通常表现出具有双重作用。一方面，较大的接收距离能够提供足够的时间供射流充分拉伸，从而导致纤维直径的减小;另一方面，增大纤维接收距离降低了电场强度，使射流加速度减小，拉伸作用减弱，从而导致纤维直径增大。对于接收距离增加而纤维平均直径变化不大的情况，只能是由于两方面因素对纤维直径共同影响的结果。

3 结论

a.非良溶剂AC的加入有利于PES电纺纤维的成形，随AC用量的增加，纤维毡中串珠数目明显减少，纤维平均直径变大，纤维均一性变好。

b.随着纺丝溶液浓度升高，纤维表面趋于光滑，纤维平均直径随之增大。

c.纺丝电压对纤维表面结构影响不大，随着纺丝电压变大纤维直径也随之增大。

d.接收距离对纤维平均直径影响不大。

e.PES最佳纺丝工艺条件为:溶液中PES质量分数为13%，纺丝电压15 kV，接收距离为10 cm，mDMF/mAC为8.5/1.5，可获得平均直径为 96 nm的PES纤维毡。

［1］ 孙俊芬，王庆瑞.关于聚醚砜膜的研究进展［J］.合成技术与应用，2001，16(1):19 －21.

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［9］ 朱丹丹，李从举，李小定，等.聚醚砜电纺纳米纤维结构与形态的研究［J］.云南大学学报:自然科学版，2005，27(3A):231－233.