静电纺丝法制备高聚物纤维及其改性研究

• 作 者: 沈晶晶
• 机 构: 南京工业大学
• 出 处: 南京工业大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 静电纺丝法 高聚物纤维 电纺条件 缠结浓度 表面改性

静电纺丝法是聚合物溶液或熔体借助静电作用进行喷射拉伸获得纳米纤维的一种独特方法。通过电纺所得纤维具有比表面积大、孔隙率高等优点，广泛应用于复合物增强材料、过滤材料、药物传输系统、电池隔膜等方面。　　
本文通过测量高分子电纺溶液的流变性，与所得纤维的形貌相关联，研究溶液流变性质与可纺性之间的关系，成功应用缠结浓度半定量评估了含非良溶剂的高聚物溶液的可纺性，并从分子链缠结的角度解释了非良溶剂丙酮存在的作用，对静电纺丝法制备聚合物纳米纤维有重要的指导意义。　　
本文将聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))分别溶解于N，N-二甲基乙酰胺和丙酮(DMAc：Act=7:3)的混合体系中，考察在其非良溶剂丙酮存在的情况下高分子溶液浓度和增比粘度ηsp的依赖关系，测出两种溶液缠结浓度(Ce)分别为6.8wt％和4.8wt％。　　
对不同浓度的高聚物溶液进行电纺，电纺条件：流速为1mL/h；接收距离为165mm；电压为8-10kv。扫描电镜观察发现在16wt％和13wt％时电纺得到均一无珠的PVDF及P(VDF-HFP)纳米纤维，结果表明：Ce对两种含非良溶剂的高聚物溶液可纺性具有半定量的评估作用。浓度低于Ce时无法纺出纤维，主要形成聚合物微粒；Ce是电纺出珠状纤维的最小浓度；纺出均一的无珠纤维则溶液浓度至少需要2-2.5倍Ce。　　
在此基础上，分别测量了聚丙烯腈在其良溶剂与混合溶剂中溶液的缠结浓度。在良溶剂中Ce为4.9wt％；加入非良溶剂丙酮(DMAc：Act=7:3)，Ce降到4.2wt％。根据所得规律，直接在2.2Ce和2.1Ce时电纺得到均一无珠的PAN纤维。　　
此外，论文对所得PAN电纺纤维进行了热处理和表面改性研究。在原子力显微镜(AFM)下观察发现，在玻璃化温度Tg(75℃)附近热处理后，PAN纤维中晶粒可发生无序-有序转变。将热处理后的纤维在NaOH溶液中进行水解，红外光谱研究表明，碱处理使纤维表面产生羧基等极性官能团，为后续表面衍生化提供活性中心。为保持纤维的结构形态不变，可通过较低温度下适当延长水解时间来达到所要求的水解程度。　　
本文还对制备聚丙烯腈基碳纤维进行了初步研究。将聚丙烯腈电纺纤维在流动空气中预氧化，然后于氩气保护下炭化，从而制备出聚丙烯腈基碳纤维。结果表明，PAN电纺纤维炭化后部分丝与丝相互融合在一起，形成树枝状，丝之间有明显的粗细之别，且比传统方法制备的PAN纤维更容易炭化。