二醋酸SCA納米纖維的制備與性能表征

納米纖維因?yàn)槠鋬?yōu)良的比表面積、高孔隙率、量子效應(yīng)及優(yōu)異的光電性能，受到全世界學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在研究方法上取得了令人欣慰的成果。靜電紡絲技術(shù)是目前制備納米纖維最重要的方法，作為制備納米纖維的最簡單、有效而又容易實(shí)現(xiàn)的方法，已被廣泛的應(yīng)用于制備各類納米纖維。二醋酸纖維作為可再生的纖維素纖維，價(jià)格低廉，可降解。并且其自身具有吸附性能，幾乎壟斷了香煙的過濾嘴材料。Liu 和Hsieh將SCA 纖維溶于丙酮、甲酸、二甲基乙酰胺以及它們的混合液中為紡絲溶液，采用靜電紡得到的纖維并探索了其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系；Lifeng Zhang，Todd J. Menkhaus 等人對(duì)CA 納米纖維吸附性膜/氈進(jìn)行了織物性質(zhì)和生物分離的研究，結(jié)論表明CA納米纖維氈對(duì)牛血清蛋白具有良好的靜態(tài)粘附力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二乙胺基乙基纖維素（DEAE）膜的吸附能力；Zuwei Ma 等對(duì)纖維素納米纖維膜用靜電紡方法制得，論證了其良好的吸附性能。本文主要研究二醋酸納米纖維的制備方法，討論二醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米纖維直徑影響，分析納米纖維膜的透氣性能，可拓寬醋酸納米纖維膜應(yīng)用面。

1 實(shí)驗(yàn)
1.1 材料與設(shè)備
二醋酸纖維片：Mw=30000 乙?；?39.8%，南通醋酸纖維有限公司；丙酮，乙酸，二甲基乙酰胺（DMAc），試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；自制靜電紡絲裝置。

1.2 SCA 納米纖維的制備
1.2.1 SCA 紡絲液的制備
以丙酮和二甲基乙酰胺（DMAC）為紡絲溶劑，二醋酸纖維素片為紡絲溶質(zhì)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要量取丙酮9ml，二甲基乙酰胺6ml，即丙酮：二甲基乙酰胺為3︰2（v︰v）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需6%、7%、8%、9%、10%、11%等紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別稱取相應(yīng)的二醋酸纖維素片為0.9g，1.05g，1.2g，1.35g，1.50g，1.65g，制備相應(yīng)的溶液。將溶液置于磁力攪拌器上，室溫下攪拌5 小時(shí)，使溶質(zhì)充分溶解，得到的均勻的溶液即為SCA 紡絲液。

1.2.2 SCA 納米纖維的制備
將紡絲液倒入紡絲管中，調(diào)整紡絲管高度與接收屏的位置，使噴絲頭與接收屏的中心位于同一水平線上，二者的距離（C-SD）12cm；將陽極接在噴絲口的毛細(xì)管上（孔徑0.7mm），陰極粘在接收屏上并接地，在接收屏上粘一塊大小合適的鋁箔，緩慢調(diào)整電壓至16kV，進(jìn)行靜電紡絲。不斷調(diào)整紡絲液的推進(jìn)速度，使紡絲液處于穩(wěn)定的無液滴自然下垂?fàn)顟B(tài)，在噴絲口形成穩(wěn)定的泰勒（Tylor）錐。收集鋁箔上的納米纖維，得到二醋酸納米纖維氈，在室溫下干燥。

1.3 SCA 納米纖維的表征與性能測試
掃描電鏡觀察纖維形貌（S-570 型，日本HITACHI 公司），利用Image-Pro Express 軟件在纖維的SEM 圖上測量纖維的直徑及分布；CSPM4000原子力顯微鏡（廣州本原科技有限公司）分析形貌和直徑，儀器水平分辨率0.1nm，垂直分辨率0.01nm，集原子力顯微鏡（AFM），掃描隧道顯微鏡（STM），摩擦力顯微鏡（LFM）于一身，并配有光學(xué)顯微鏡；YG461E 型織物透氣儀對(duì)納米纖維膜進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論
2.1 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCA 納米纖維成形的影響
實(shí)驗(yàn)中取紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、7%、8%、9%、10%、11%，圖1為不同紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SCA納米纖維SEM 圖片。

從圖1可以看出，紡絲液質(zhì)量濃度為6%，紡出的納米纖維上附了一系列的珠粒，珠粒的大小不等，排列不均。主要原因是紡絲液濃度偏小，黏度不夠，導(dǎo)致在紡絲過程中不斷的有液滴噴出，落在接收屏上而形成珠節(jié)，導(dǎo)致纖維不連續(xù)。隨著紡絲液質(zhì)量濃度增加，納米纖維膜中的珠粒在形狀上有由球形變?yōu)轭愃迫~狀的扁平纖維（7%）；液滴的連續(xù)狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)，纖維形態(tài)和纖維上珠粒密度顯然變化，珠節(jié)變大而數(shù)量變少（8%）。當(dāng)紡絲液質(zhì)量濃度為9%，顯示納米纖維膜中的纖維已基本連續(xù)，仍有珠粒，但纖維的分布狀態(tài)效果不理想。紡絲液質(zhì)量濃度為10%，納米纖維膜中的纖維上的珠粒數(shù)目進(jìn)一步減少，但是從纖維表觀看來零星的珠粒還是存在的，而且能看出纖維的粗細(xì)分布也不均勻，主要是濃度和黏度沒有達(dá)到適紡范圍造成。紡絲液質(zhì)量濃度為10%，纖維均勻且連續(xù)，基本沒有珠節(jié)，纖維成形及分布比較均勻。

因此可以通過SEM分析，得出對(duì)于制備SCA納米纖維較理想的紡絲液質(zhì)量濃度為11%。利用photoshop cs3.0軟件進(jìn)行分析，得出納米纖維的直徑分布在200nm-300nm 之間，纖維的直徑分布較均勻。

2.2 SCA 納米纖維AFM 表征
紡絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)取11%、紡絲速度為0.3ml/h、電壓為16kv、紡絲距離為12cm，制備SCA納米纖維膜。利用AFM（原子力顯微鏡）對(duì)其進(jìn)行形貌表征。

由圖2可以看出，盡管納米纖維連續(xù)但表面不太光滑，但直徑大小變異系數(shù)不大。邊緣整齊，外形較圓潤，不存在明顯的粗細(xì)節(jié)；纖維表面有凹凸，高度顯示有變化，但這種變化是由于基底鋁箔的厚度不勻造成的；同時(shí)，在納米纖維形成的過程中，射流在噴射和收集時(shí)會(huì)有溶劑的快速蒸發(fā)，有可能存在溶劑沒完全蒸發(fā)的可能，這會(huì)在纖維表面留下溝槽或凹凸。整體來講，纖維表面所產(chǎn)生的細(xì)紋少，形態(tài)良好。從AFM圖估算，納米纖維的直徑在200-300nm，與SEM 圖基本一致。

2.3 SCA 納米纖維膜的透氣性分析
透氣性是指氣體對(duì)薄膜、涂層、織物等材料的滲透性。是聚合物重要的物理性能之一，它與聚合物的結(jié)構(gòu)、相態(tài)及分子運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。納米纖維之所以能夠透過氣體是因?yàn)闃?gòu)成納米纖維膜的纖維縱橫交錯(cuò)排列，形成孔洞，使纖維能夠通過。作為納米纖維薄膜的一個(gè)性能之一，通過對(duì)幾種材料的透氣性的測試，對(duì)納米纖維膜的透氣性進(jìn)行了橫向的比較。由于所選用樣品的厚度不同，考慮到樣品厚度越大，透氣率越小。故本文以透氣率和平均厚度的乘積值表征不同厚度材料的透氣性能。樣品的厚度見表1。不同材料的透氣性能見表2，數(shù)值越大表示透氣性能越好。

由表2可以看出，SCA納米纖維膜的透氣性與中性定性濾紙接近，為非織造布透氣率的1/100倍。可見醋酸納米纖維膜有一定的透氣性，這是因?yàn)闃?gòu)成納米纖維膜的纖維縱橫交錯(cuò)排列形成，具有孔洞，所以能透氣；其透氣性與中性濾紙接近。隨著壓差逐漸變大，各樣品的透氣率也呈現(xiàn)線性遞增趨勢。納米纖維膜的透氣性遠(yuǎn)低于非織造布，這是由于構(gòu)成非織造布的纖維直徑較粗，其交錯(cuò)時(shí)孔徑也相對(duì)較大，所以其透氣性優(yōu)于納米纖維膜。

同時(shí)測試結(jié)果還說明，SCA納米纖維膜具有良好的截濾功能，而醋酸纖維本身有良好的吸附功能，因此，醋酸納米纖維在煙用濾嘴、濾菌、空氣過濾等方面將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

3 結(jié)論
（1）利用靜電紡技術(shù)，可制備可紡性良好的SCA 納米纖維，選擇丙酮和二甲基乙酰胺兩種溶劑的比例在3:2 時(shí)，電壓在16kv，紡絲液濃度在11%時(shí)，可得到連續(xù)均勻的SCA納米纖維。通過SEM分析，紡絲液質(zhì)量濃度為10-11%，納米纖維均勻且連續(xù)，基本沒有珠節(jié)，纖維成形及分布比較均勻，纖維直徑分布在200nm-300nm 之間。
（2）AFM 分析表明：SCA 納米纖維外形圓潤，不存在明顯的粗細(xì)節(jié)，纖維表面稍有凹凸，直徑分布與SEM分析結(jié)果一致。
（3）SCA 納米纖維膜的透氣性與中性濾紙接近，具有良好的截濾功能。?

審核編輯：符乾江