控制参数对静电纺丝纤维形态的影响

2021-01-28

静电纺丝工艺参数,主要包括电场强度、流速、喷丝口到接收极板的距离和环境参数(温度、湿度和操作箱内的空气流动),都对纤维形貌有影响。即使聚合物溶液的特性非常满足形成连续光滑纤维的要求,增加电场强度和缩短喷丝口到接收极板的距离,都会提高串珠结构形成的概率。电场强度与溶液特性的不匹配,会引起射流不稳定性的增加,还会在纤维表面形成特殊的结构,如支化的纤维。流速的增加会导致射流初始半径的增加,在其他工艺条件不变的情况下,导致纤维直径变粗。环境温度对静电纺丝过成的影响,主要是使溶液黏度和溶剂挥发速度发生变化,导致纤维形态不同。环境湿度则可被用来控制纤维表面的多孔结构。

1. 电压

在静电纺丝中,一个重要的参数就是利用电场对聚合物溶液施加电压,只有达到了临界电压,电场力才能克服聚合物液滴的表面张力,聚合物溶液才能从泰勒锥喷出形成射流,在电场力的进一步牵伸下形成纤维。大量的实验研究已经证实,静电纺丝条件的改变,尤其是溶液黏度、表面张力和导电性,以及电压和流速的改变对最初形成液滴的形状和随后射流的初始半径影响最为显著。

已经知道,高黏度和高表面张力的溶液需要提高电压才能实现静电纺丝,高导电性溶液的静电纺丝在较低电场强度下就可以进行。电场强度达到0.3kv/cm时,一般就开始有纤维形成,继续提高电场强度则会减小纤维直径,但如果电场强度提高到1.2kv/cm以上,则由此引起的纤维直径减小效应就会消失,反而会因为射流不稳定性的增加,使纤维直径的分布变宽。

电压的升高使得溶液从喷丝头喷出的速度加快,超过了流速设定所能提供的、保持泰勒锥形状的溶液量,这种物质平衡的破坏使得后续的射流更加不稳定,由此串珠结构比例增加。提高电压的同时,如果对流速和溶液黏度进行控制会有助于改善上述情况。此外,在聚合物溶液黏度接近可静电纺丝的黏度下限时提高电压,会观察到多股射流的同时形成,射流间的相互排斥作用,使落在接收极板上的纤维到处分散,且纤维直径分布很宽。

1. 流速

聚合物溶液从纺丝容器喷射出来的流速是影响射流速度和物质交换速度的重要工艺参数。低流速有利于溶剂有足够的时间挥发,减少纤维的溶并,但针对不同的聚合物/溶剂体系,总是存在一个适合静电纺丝的最低流速。Taylor早在1969年就指出,溶液在针管中的流速太小,不足以补偿射流喷出所带走的物质量时,是无法维持泰勒锥形状的,会导致射流不稳定,得不到理想的纤维形貌。

虽然关于流速和纤维形貌/直径之间关系的研究不像其他因素那样系统,但流速过高,导致溶剂挥发慢,牵伸不充分,不仅会使纤维直径增加,而且还会使纤维上串珠形成加剧,圆形截面的纤维塌陷呈扁平的

2. 喷丝头与极板之间距离

改变喷丝头和接收装置之间的距离是调节纤维直径和形貌的另一种手段,但喷丝头到接收装置的距离对纤维形貌的影响没有其他参数那么明显。接受距离对静电纺丝过程的影响表现在两个方面,即溶剂挥发程度和电场强度。

距离太近,射流未能充分干燥和牵伸,会形成串珠状纤维和带状纤维。为了保证纤维在到达接收装置钱有足够的时间进行溶剂挥发,必须有一个最小距离的要求,否则会引起纤维严重的溶并。然而一旦喷丝头和接收装置之间的距离超过20cm,便会引起纤维产量的显著下降,即在接收装置上收集到的纤维量很少,大部分纤维都会寻找更近的接地器具沉积下来。

3. 温度及湿度

环境温度对静电纺丝纤维的影响也是多方面的。首先,温度升高会加速分子的运动,由此提高了溶液的导电性;其次,温度升高降低了溶液的黏度和表面张力;第三,温度升高加速了溶剂的挥发速度,这些变化都有利于降低电纺纤维的直径,也使纤维直径分布更加均匀。

在非常干燥或静电纺丝间空气呈快速对流的情况下进行电纺,挥发性溶剂干燥速度很快,有助于防止纤维的溶并。但在有些情况下,溶剂挥发的太快,以至于溶液在喷丝头部位就干燥或黏度急剧增加,容易堵塞喷丝头,使纺丝无法顺利进行,因此,适当的环境湿度,有助于降低溶剂的挥发速度。

在高湿度环境下进行静电纺丝,随着溶剂的挥发带走部分热量,聚合物溶液射流表面的温度会低于环境温度,这样,小的水滴就会沉积在射流表面,待纤维硬化、水分挥发后,小液滴所在的地方就会留下孔。孔形成的程度和孔的大小随环境湿度的变化而改变,因此有不少研究利用这一原理,通过湿度环境下的静电纺丝来制备表面多孔的纤维。也有研究建议,在一定环境温度下进行静电纺丝,有助于去除成型纤维表面的残留电荷,减少静电排斥,使纤维收集和排布更加容易。HZ-12-除湿版_副本.jpg

汇智电纺HZ-12静电纺丝机,可控温,可调湿,欢迎您的光临,点击图片有惊喜噢!



分享