AA/PVA吸水纤维的制备与研究

丁莉燕，逄邵伟，赵学玉，赵　娜，邢明杰，赵明良，龙云泽，闫旭

(1.青岛大学纺织服装学院，山东青岛　266071；2.青岛大学物理科学学院,山东青岛　266071；3.青岛大学非织造材料与产业纺织品创新研究院,山东青岛　266071)

由于吸水纤维[1-2]中含有大量的亲水性基团，并且具有吸水速度快、保水性好等特点，因而被广泛应用于医疗卫生、油水分离材料、保鲜材料和吸热阻火材料、防止结霜用材料、农林园艺用保水材料、离子吸附、光缆阻水等领域[3-5]。吸水纤维主要分为纤维素类、聚羧酸类、聚丙烯腈类及改性聚乙烯醇类，其中聚丙烯酸类吸水纤维由于含有大量的亲水性基团而具有超高的吸水能力。丙烯酸类吸水纤维[6]是以丙烯酸(AA)为原料，通过与适量的丙烯酰胺(AM)共聚后，得到吸水倍率高、吸水速度快的纤维。

本实验选用AA与AM共聚，由于丙烯酸在聚合过程中会自动加速产生凝胶，导致聚合反应难以控制，且聚丙烯酸的可纺性比较差，因此加入了具有阻聚作用且可纺性较好的聚乙烯醇(PVA)溶液，得到适用于静电纺吸水纤维的纺丝液，通过控制不同的纺丝条件获得了AA/PVA吸水纤维，同时研究了不同纺丝工艺参数对纤维尺寸的影响，进一步研究了纤维的形态结构和纤维的吸水性能。

1　实验

1.1　实验原料

丙烯酸(AA)(上海麦克林生化科技有限公司)；丙烯酰胺(AM)(上海麦克林生化科技有限公司)；聚乙烯醇(PVA)(国药集团化学试剂有限公司)；过硫酸钾(KPS)(上海麦克林生化科技有限公司)。

1.2　聚合物溶液的配制

将一定的PVA水溶液、部分中和后的AA溶液、AM及一定的潜交联剂和引发剂依次加入到聚合反应釜中，充分搅拌混合均匀，反应1-2小时后得到AA-AM/PVA共混聚合物溶液。

1.3　静电纺丝

静电纺丝[7]是通过施加高压电场使纺丝液带电，当电场力克服液滴的表面张力作用后会形成泰勒锥，泰勒锥进一步拉伸形成纺丝细流，纺丝细流不稳定运动后沉积到接收板上，形成类似非织造布的无序排列的纳米纤维膜。静电纺纳米纤维材料具有纤维直径小、比表面积大、纤维膜上有微孔等特点[8-10]，这些都有利于纤维吸水性能的提高。静电纺丝装置如图1所示。

图1　静电纺丝装置示意图

配置好的聚合物溶液经脱泡处理后，采用静电纺丝工艺得到吸水纤维，对初生纤维进行热交联处理后，放在干燥皿中保存用于后续测试。

1.4　电镜分析

将静电纺吸水纤维样品粘贴在金属样品座上，然后经过镀金处理后，在扫描电子显微镜下观察其形态结构，进而得出不同纺丝工艺条件对纤维形态结构的影响。

2　结果与讨论

2.1　纺丝工艺参数对纤维直径的影响

2.1.1纺丝电压

取备好的聚合物溶液进行静电纺丝。当喷头孔径为0.90mm，固化距离为20cm时，选用四种不同的静电纺丝电压，分别为15kV、16kV、17kV和18kV，所得纤维直径分布如图2所示。

图2　不同纺丝电压时静电纺吸水纤维的纤维直径

从图2中可以看出，纺丝电压的大小对静电纺吸水纤维的直径有较大的影响。当电压从15kV升高到17kV时，吸水纤维直径明显减小。这是由于聚合物液滴是在电场力的作用下被拉伸成喷射细流从而被接收极板接收。因此，电场力的作用是决定纤维直径的决定因素。一方面，随着电场强度的增大，静电纺丝喷射细流的加速度会增大。更为重要的是，随着纺丝电压的增大，聚合物溶液表面电荷之间的静电斥力会变大，从而增强了喷射细流的分裂能力。因此，较高的电压会使喷射细流受到更大的拉伸应力，增加射流的拉伸应变速率，使纤维直径减小。18kV时吸水纤维平均直径反而增大是由于存在许多大直径纤维，导致出现异常。

2.1.2固化距离

取备好的聚合物溶液进行静电纺丝。当纺丝电压为17kV，喷孔直径为0.70mm时，选用不同的固化距离，分别为16cm、18cm、20cm和22cm，所得纤维直径分布如图3所示。

图3　不同固化距离时静电纺纤维的纤维直径

根据图3中的数据可以看出，随着喷孔直径的增加，吸水纤维的平均直径先减小后增加。原因是固化距离会直接影响喷丝的持续时间与电场强度，进而影响纤维形态结构。当距离过小时，纤维固化过程中溶剂不完全挥发，纤维平均直径较大；当固化距离过大时，电场强度减小使射流的喷出速度和分裂能力受到影响，纤维直径增加。

2.1.3喷孔直径

取备好的聚合物溶液进行静电纺丝。当纺丝电压为17kV，固化距离为20cm时，选用内直径不同的静电纺丝喷头，分别为0.25mm、0.33mm、0.55mm和0.70mm，所得纤维直径分布如图4所示。

图4　不同喷孔直径时静电纺吸水纤维的纤维直径

从图4中曲线可以看出，随着喷孔直径的增加，吸水纤维的平均直径逐渐增大，这说明喷孔直径对静电纺丝吸水纤维的制备有一定的影响。这是由于当喷孔直径较小时，孔尖端的液滴尺寸小，液滴的表面张力减小，在相同电压的情况下，可以产生更大的电荷斥力引发喷丝[11]，从而使纤维直径减小。

2.2　吸水纤维的形态结构

改变静电纺丝工艺参数会使吸水纤维直径发生变化，同时纤维的形态结构也会发生变化。当纺丝电压过高时，溶液中大量的电荷增加了喷丝速度，使更多的溶液从针头中拉伸出来，导致泰勒锥不稳定反而缩回针头中，进而造成喷丝不稳定性增加，使珠状物密度增加，珠状物连在一起形成大直径的纤维[11]，显示为扁平带状，如图5(a)所示。当固化距离过小时，纤维中会出现大量珠状物，纤维结构均一性较差，如图5(b)。这是由于喷射细流到达接收极板的时间太短，电场强度增大，喷丝的不稳定性增加，促进了珠状物的形成。但是当静电纺丝工艺参数较好时，就会得到均匀稳定的吸水纤维，如图5(c)所示。

(a)纺丝电压为18kV时静电纺吸水纤维图片

(b)固化距离为16cm时静电纺吸水纤维图片

(c)纺丝电压为17kV，固化距离为20cm时静电纺吸水纤维图片

2.3　纤维的吸水性能

将一定量的静电纺吸水纤维放入自制的丙纶无纺布袋中，在水中浸泡30 min后取出，自然悬挂30 min后称重，按照公式(1)计算纤维的吸水倍率R，实验结果如表1所示。

(1)

式中Gd为纤维吸水前的重量，Gw为纤维吸水后的重量，R为纤维的吸水倍率。

表1　不同吸水纤维的吸水倍率

由表1可以看出，静电纺吸水纤维的吸水倍率可以达到自身重量的几百倍，最高可达357g/g，具有很好的吸水性能。

3　结论

以AA、AM为单体，加入了具有阻聚作用的PVA溶液和一定量的潜交联剂、引发剂，采用静电纺丝的工艺制备了AA/PVA吸水纤维。经过分析可以发现：

(1)吸水纤维的形态结构及纤维直径受到纺丝电压、固化距离和喷孔直径的影响。随着纺丝电压的增加，吸水纤维的直径逐渐减小；随着固化距离的增加，吸水纤维的直径先减小后增大；随着喷孔直径的增加，吸水纤维的平均直径逐渐增大。

(2)静电纺丝工艺参数会影响纤维的形态结构。

(3)静电纺吸水纤维的吸水倍率最高可达357g/g。

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