PS/PA6溶液电纺制备纳米纤维束及其分离过滤性能

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纳米纤维束具有高比表面积、高粗糙度和高孔隙率等特性,在生物医学、催化、传感、过滤和吸附等领域都有广泛的应用前景。常规制备纳米纤维的方法,如模板法和熔喷法等,很难制备出纤维束;传统的静电纺丝法所制备的纤维束的“束”尺寸基本在微米级以上。如何制备较小“束”尺寸的纳米纤维束膜是提高材料性能及应用开发的关键。
  论文基于静电纺丝射流喷射过程中的相分离及电场力拉伸等作用,提出聚合物共混溶液电纺原位相分离制备纳米纤维束的方法。以聚苯乙烯(PS)和尼龙6(PA6)共混体系为研究对象,系统研究了共混比例、溶液浓度以及添加相容剂或导电粒子等对纳米纤维束的微纳结构、力学性能和表面润湿性等特性的影响,探讨了其油水分离和气体过滤性能,并进一步通过多喷头混纺技术制备了油吸附性能和气体过滤综合性能优异的纳米纤维束复合膜。
  在聚合物共混溶液电纺中,成纤性好的聚合物能够促进成纤性差的聚合物形成纤维。电纺低浓度的PS/氯仿溶液只能获得珠粒结构,随着可纺性更高的PA6的加入,电纺产物由珠粒结构逐渐转变为串珠结构和以PA6为核、PS为壳的核壳结构的无珠粒微纤结构,并且刻蚀PA6相后,可获得PS纳米纤维束。
  界面相容剂或导电碳纳米管作为添加剂,可以促进纳米纤维束的形成。将相容剂引入PS/PA6共混溶液中,在电纺过程中发生相分离时,相容剂的主链能够与PS相相容,接枝链则停留在PA6相中,发挥“纽带”作用,促进PA6对PS的带动拉伸作用,促进纳米纤维束结构的形成;引入导电粒子后,聚合物溶液的导电性得到了提高,射流受到电场力的拉伸作用也随之加强,也能促进PS形成纳米纤维束结构。
  纳米纤维束膜独特的微纳结构使其能够快速、大量地吸附水面和水中的油污,对硅油/水和液体石蜡/水混合物的分离效率超过了99%。纳米纤维束膜通过特殊的微纳结构,能够提高对小颗粒的吸附作用,增大与烟尘颗粒的接触面积,使得其对烟尘颗粒的过滤效率比光滑纤维结构的聚苯乙烯纤维膜高35~60%,且优于商业口罩。
  通过多喷头混纺技术,在纳米纤维束中引入聚苯乙烯微米纤维,制备了既具有高蓬松性又具有良好机械性能的纳米纤维束复合膜。该复合膜对油吸附量最高可达105.6g/g,是纳米纤维束膜的1.7倍;其气体过滤品质因数最高能达到纳米纤维膜的3倍以上。
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