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目前,用于制备聚合物纳米纤维的最有效的方法是静电纺丝方法。近年来,已通过静电纺成功制备了不同聚合物纳米纤维,主要是溶液和熔融聚合物。这种纤维的潜在应用已被开发,主要用于增强纳米复合材料。许多关于电纺聚合物纳米纤维的研究和发展包括生产工艺,纤维结构,性能表征和应用的文章已发表。同时,人们也研究了电纺技术的局限性和将来的发展趋势。
电纺丝技术是基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理发展而来,其基本过程是:聚合物溶液和熔体在几千至几万伏的高压静电场下克服表面张力而产生带电喷射流,溶液或熔体射流在喷射过程中干燥、固化,并保持一定的电荷量,最终落在接受装置上形成纤维毡或其它形状的纤维结构物。电纺丝制得纤维直径一般在数十纳米到数微米之间。
本文采用二甲基乙酰胺(DMAC)与丙酮的混合物为溶剂对醋酸纤维素(SCA)电纺过程中溶液性质对纤维直径及形态的影响进行研究。不同的溶液性质具体表现为不同的溶度参数、粘度、表面张力、挥发度等参数,而纤维直径的细化是以上参数共同作用的结果。溶液浓度以及其所对应的粘度是控制电纺纤维形态的重要参数之一。为了研究溶剂对电纺的影响,本文采用二甲基乙酰胺、丙酮以及它们的混合溶液作为溶剂。由于丙酮具有较强的挥发性,对溶液的挥发度起了决定性作用,使电纺纤维的直径的改变受其影响最大。通过扫描电镜图可观察到电纺纤维的形态及结构,特别是当DMAC:丙酮的混合比为20:80时,可以看到纤维表面充满凹陷的小孔。
本实验中,通过添加两种不同的可溶性无机盐,氯化锂和氯化钙,促进二醋酸纤维素的溶解。无机盐的加入会导致溶液粘度、表面张力的下降以及电导率和电荷密度的上升。但随着盐含量的上升,纺丝液的粘度和表面张力也会随之增大。由于离子直径不同,不同的盐对溶液性质具有不同的影响,从而间接影响到电纺丝的形成。所有这些因素都在这论文中有所讨论。在二醋酸纤维素溶液中添加可溶性无机盐能增加射流所携带的净电荷密度,净电荷数越大,施加在射流上的电场力也越大。
本文在理论分析的基础上,提出了两种不同方法计算电纺丝的速率。通过理论及实验数据的分析,比较了两种方法的合理性。实验结果表明,由公式法推算得到的速率和加速度与理论分析不一致,而由还原法得到的速率比值要小于由公式法计算得到的速率值,推算得到的加速度呈先下降后上升的趋势,符合电纺丝过程的受力分析,整个细化过程也与受力变化趋势基本符合。
本文创新点:
1.从溶液性质本身着手,侧重于分析不同溶剂及混合溶剂的不同混合比例对于醋酸纤维素溶液各项性能所产生的重大影响,通过实验研究,从纺丝原液性质角度总结出溶剂性质对于制备醋酸纤维素纳米纤维的影响,从而选择合适的溶剂及混合溶剂比;
2.通过改变溶液中添加的可溶性无机盐种类及含量,研究不同无机盐及其含量对溶液性质所产生的影响,利用电纺丝基础理论分析可溶性无机盐对醋酸纤维素电纺丝的影响;
3.结合试验结果,对电纺丝过程的动力学及纺丝速率作一定分析,在分析和实验的基础上,提出可能的关于电纺速率的计算公式,并通过实验数据进行验证比较,得到较为合理的公式,为今后进行此方面的研究做基础工作。