何 斌，肖龙辉，龙 泉，华 珂，刘 涛

(湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭 411104)



静电纺PAN纳米纤维膜的透气透湿性能研究

何 斌，肖龙辉，龙 泉，华 珂，刘 涛

(湖南工程学院 纺织服装学院，湘潭 411104)

通过静电纺丝技术制备了不同厚度的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，并对其形态、透气透湿性能及拉伸力学性能进行了测试分析.研究发现，PAN纳米纤维成纤良好，纤维连续且分布均匀，直径分布约在80～600 nm范围内；纳米纤维膜的透气性随着膜厚度的增加而降低，但透湿量和厚度之间并没有明显规律可寻，不同厚度膜的透湿性能良好，透湿量相差不大，约在5000～5300 g/(m2·d)范围内；纳米纤维膜的断裂强度随着厚度的增加而呈现先增加后减小的趋势，厚度为50 μm时，断裂强度达到最大值，为0.79 MPa.

静电纺丝；聚丙烯腈；透气透湿性能；力学性能

静电纺技术是利用聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得连续性纤维的纺丝方法[1].与常规纤维相比，该方法所制备的纤维直径小了2～3个数量级，其直径一般为几个纳米到几十个微米之间，具有长径比大、比表面积高等特点，且静电纺制得的纳米纤维膜/毡具有独特的网状结构，孔隙率高，这些独特的性能使得静电纺纳米纤维在过滤、防护、医学、超疏水和超吸水等领域具有非常大的潜在应用价值[1-3].

聚丙烯腈(PAN)是由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到的，其外观为不透明的白色或略带黄色的粉末状，它主要用于制聚丙烯腈纤维.常规的聚丙烯腈纤维具有质轻柔软、保形性好、耐日晒性好，且具有良好的耐溶剂性、耐老化性和绝缘性以及防蛀、防霉等特点，已被广泛应用与服装面料、过滤材料及产业用如提高混凝土性能等方面[1,4,5].PAN也是一种常见的静电纺聚合物材料，由于其成纤性好，所制备的纳米级纤维粗细均匀、形态良好，国内外已有相关文献进行了报道.皇甫晨晨等[6]探索了静电纺PAN纳米纤维的制备工艺.文献[1,7-9]研究了静电纺PAN纳米纤维膜的微观结构及其过滤性能，探讨了制备工艺和过滤性能之间的关系.Wang 等[10]采用静电纺制备了聚乙烯醇/PAN纳米纤维复合膜，再进行油/水乳液的过滤性能测试，研究表明，当操作压力为0.3 MPa时，复合膜的水通量高达2101 L /(m2·h)，截留率达到99.5%.Cao 等[11]制备了氧化黄麻纤维素纳米晶须增强静电纺双层PAN纳米纤维膜，并测试了其过滤性能，研究发现该膜对7～40 nm的粒子有很好的过滤效率.查证资料表明，目前鲜有文献针对静电纺PAN纳米纤维膜的透气透湿性能进行研究探讨.

本文通过静电纺丝制备PAN纳米纤维膜，并研究其透气透湿性能，以期能在扩展PAN纳米纤维膜的应用领域方面提供一定的参考意义.

1 实验

1.1 实验材料

聚丙烯腈粉料，平均相对分子量150000，购自浙江省绍兴捷马复合材料有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，由广东光华科技股份有限公司提供.

1.2 纺丝液的制备

首先把PAN放置在45 ℃的D2F06050型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)中烘干，然后用梅特勒PL203型电子天平分别称取一定量的PAN和DMF，把PAN添加到DMF中用S25-2型磁力搅拌机(上海司乐仪器有限公司)搅拌至PAN完全溶解，纺丝液中PAN质量分数为16%.

1.3 静电纺丝

在FM1302型静电纺丝机(北京富友马科技有限公司)上进行纺丝.前期已探索得到较优化的纺丝工艺，其参数为：喷丝头内径0.45 mm、纺丝电压16 kV、纺丝流量7.5 ml·h-1、纺丝距离11 cm、收集辊转速350 r·min-1、喷丝头横向移动速度12 cm·min-1.通过控制纺丝时间获得不同厚度的纳米纤维膜.

2 结构与性能测试

2.1 纳米纤维形态测试

将试样PAN纳米纤维膜用导电胶固定在试样台上，经喷金处理后，用日立S-4800型扫描电子显微镜观察纳米纤维的形态，并记录纤维集合体的图像，并用图像分析软件(Image-Pro Plus 6.0)测试纤维的直径，每个样测试100根，取平均值.

2.2 纳米纤维膜的厚度测试

采用上海川陆量具有限公司的数显千分测厚规(精确到0.001 mm)对不同纺丝时间的纤维膜进行厚度测量，每组试样测试10个有效数据，取平均值.

2.3 纳米纤维膜透气性能测试

在YG461E/Ⅱ数字式透气量仪上对纳米纤维膜的透气性能进行测试，测试压差为100 Pa/mm H2O，每个试样测得5个有效数据，取平均值.

2.4 纳米纤维膜透湿性能测试

参照GB/T 12704.1-2009《纺织品织物透湿性实验方法》，在YG601电脑式织物透湿仪上进行纳米纤维膜的透湿性测试.再根据公式1计算得到纳米纤维膜的透湿量.

(1)

式中：WVT为透湿量[g/(m2·d)]，△m为同一试验组合体2次称重之差(g)，S为试样试验面积(m2)，t为测试时间(h).

2.5 纳米纤维膜力学性能测试

采用YG021F型电子氨纶丝强力机来测试膜的拉伸力学性能，每个试样测得十个有效数据，取平均值.试样的规格：80 mm(长)×4 mm(宽)，夹距为50 mm，拉伸速度100 mm/min.利用公式2计算得到纳米纤维膜的断裂强度值.

(2)

式中：σ为断裂强度(MPa)，F为断裂强力(N)，W为试样宽度(mm)，d为试样厚度(mm).

3 结果与分析

3.1 PAN纳米纤维膜的形态

图1静电纺PAN纳米纤维膜的SEM图(8000倍).可以看出，所制备的纳米纤维成纤良好，纤维连续性好，分布均匀，形态结构良好，直径分布约在80～600 nm范围内，平均直径约为285 nm，其直径分布图如图2所示.

图1 PAN纳米纤维膜SEM图

图2 直径分布图

3.2 PAN纳米纤维膜的透气性能

图3为不同厚度PAN纳米纤维膜的透气率.经过探索，控制纺丝时间为5 min、11 min、19 min、29 min、36 min，纺制的膜厚度分别约为10 μm、30 μm、50 μm、70 μm、90 μm.由图3可以看出，纳米纤维膜的透气率随着厚度的增加而下降，尤其是10 μm厚到30 μm厚的膜，透气率下降明显，后面趋于缓和，且透气率的标准偏差也随膜厚度的增加而减小.其原因是随着纺丝时间的增加，纳米纤维直径相互粘结的几率增加，并逐渐形成层叠状态，促使纳米纤维膜的屈曲状孔径增多，直接连通状的孔径减少，导致膜的透气性随着厚度的增加而下降.随着纺丝时间增加，膜的厚度均匀性变好，因此纳米纤维膜的透气率标准偏差减小.

图3 PAN纳米纤维膜的透气率图

3.3 PAN纳米纤维膜的透湿性能

图4为不同厚度PAN纳米纤维膜的透湿量.由图可知，不同厚度的纳米纤维膜的平均透湿量基本都在5000～5300 g/(m2·d)范围内，纳米纤维膜的透湿量和厚度之间并没有明显规律可寻，这和普通织物的透湿量和厚度之间的关系不吻合.根据普通织物的透湿理论，织物厚度增加，水分子与孔径内壁碰撞的几率增加，则传湿阻力增大，透湿量减小.但由于静电纺纳米纤维膜厚度相对偏小，则水分子运动平均自由程较小，且随纺丝时间的增加，纳米纤维之间相互粘结的几率增加，纤维之间呈混乱粘结状，并逐渐形成层叠状态，促使纳米纤维膜的屈曲状孔径增多，连通状的孔径减少，膜的孔隙率高而孔径小，单个孔径里所含的静止空气则相对较少，分子运动的阻力则小，水蒸汽分子运动变易.和普通织物透湿相比较，纳米纤维膜的孔径内壁造成的传湿阻力影响被减弱，所以厚度对膜的透湿量影响不大，这和文献报道[12]的结果相符合.

图4 PAN纳米纤维膜的透湿量图

3.4 PAN纳米纤维膜的力学性能

图5为不同厚度PAN纳米纤维膜的拉伸力学性能.从图中可以发现，静电纺PAN纳米纤维膜的断裂强度随着厚度的增加而呈现先增加后减小的趋势，厚度为50 μm时，断裂强度达到最大值，为0.79 MPa，此时断裂伸长率约为28.6 %.这是因为，本实验所制备的纳米纤维膜为无规则排列的纤维集合体，纤维之间混乱交错粘结.纤维膜在承受拉伸负荷时，需要一定的外力来破坏粘结点之间的作用力，然后膜结构开始松散，纤维相互之间发生滑移，并沿着拉伸方向取向排列，随着拉伸负荷的增大，纤维发生断裂.当纤维膜厚度增加时，单位面积上要拉断的纤维数量增多，拉伸断裂强度增大.但当纤维膜厚度增大到一定范围后，发生层叠的纤维层与层之间的纤维相互交错粘结作用可能减弱，导致拉伸时出现“脱层”现象，因此造成断裂强度下降.

图5 PAN纳米纤维膜的应力-应变曲线

4 结论

本文通过静电纺丝制备不同厚度的PAN纳米纤维膜，并对复合纳米纤维的形态、透气透湿性能及力学性能进行了测试与分析.结果表明：

(1)PAN纳米纤维成纤良好，纤维连续且分布均匀，直径分布约在80～600 nm范围内，平均直径约为285 nm；

(2)PAN纳米纤维膜的透气率随着厚度的增加而下降，尤其是10～30 μm厚的膜，透气率下降明显，后面趋于缓和，透气率的标准偏差随膜厚度的增加而减小；

(3)不同厚度的纳米纤维膜的平均透湿量基本都在5000～5300 g/(m2·d)范围内，透湿量相差不大，纳米纤维膜的透湿量和厚度之间并没有明显规律可寻；

(4)PAN纳米纤维膜的断裂强度随着厚度的增加而呈现先增加后减小的趋势，厚度为50 μm时，断裂强度达到最大值，为0.79 MPa，此时断裂伸长率约为28.6 %.

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[5] 张连敏, 李祥高. 聚丙烯腈纤维的生产技术及其应用综述[J].非织造布,2007,15(2):35-38.

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Study on Air Permeability and Moisture Permeability of Electrospun PAN Nanofiber Membrane

HE Bin，XIAO Long-hui，LONG Quan，HUA Ke,LIU Tao

(College of Textile and Fashion， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411104， China)

Polyacrylonitrile (PAN) nanofiber membrane with different thicknesses are prepared by electrospinning, and the morphology and air permeability and moisture permeability and tensile mechanical properties of nanofiber membrane are tested and analyzed. The results show that the PAN nanofibers have a good fiber-forming, continuity and distribution with the range of diameter distribution from 80 nm to 600 nm. The air permeability of the nanofiber membrane decreases with the increase of the thickness. There is no direct relationship between moisture permeability and thickness of nanofiber membrane, which possess excellent moisture permeability with the range of air permeable volume from 5000 g/(m2·d)to 5300 g/(m2·d), and the value indicates less differences among different thicknesse membrane. The tensile breaking strength of nanofiber membrane increases first and then decreases with the increase of the thickness, and the maximum value is 0.79 MPa occurring at the thicknesses of 50 μm.

electrospinning； polyacrylonitrile； air permeability and moisture permeability； mechanical properties

2016-12-14

湖南省自然科学基金资助项目(2015JJ6023)；博士科研启动基金(14082，14093)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201611342005).

何 斌(1982-)，男，博士，讲师，研究方向：纺织材料结构与性能.

TQ340.64

A

1671-119X(2017)02-0053-04