1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 鹽城 224005；2. 蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123；3. 蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215123

傳統(tǒng)靜電紡絲主要依靠針頭傳輸紡絲液滴，紡絲液滴在高壓靜電場作用下被拉伸成納米纖維，紡絲過程快速、簡單，加入功能添加劑還可紡制出功能性納米纖維，故靜電紡絲一直是科研院所及高等學府近年研究的熱點。靜電紡絲制備的納米纖維膜材料可應用于化工、醫(yī)藥、食品、紡織等多個領域[1-3]。但傳統(tǒng)的靜電紡絲技術產量低，紡絲液易堵塞針頭，故限制了其工業(yè)化發(fā)展[4-5]。新型氣泡靜電紡絲技術由蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室何吉歡教授發(fā)明創(chuàng)造[6-8]。何教授稱之為氣泡紡或氣泡靜電紡(Bubble Electrospinning)，其基本原理是基于紡絲溶液或熔體產生的氣泡或液膜破碎后形成的細小液滴，通過外力(如高壓靜電、高速氣流等)將細小液滴牽伸成超細的納米纖維。很顯然，氣泡靜電紡突破了針頭的限制，完全可實現(xiàn)納米纖維的批量生產[9-12]。

PS(聚苯乙烯)是一種非結晶性的線型聚合物，可溶解于DMF(二甲基甲酰胺)，溶解后溶液具有很好的流動性，且成型尺寸穩(wěn)定性好。PVP(聚氯乙烯)是新研制的一種新型材料，是PVC(聚氯乙烯)和PP(聚丙烯)的合成物。純PVC具有很好的親水性，純PP具有很好的柔韌性。目前，很多學者研究了純PS及PS與其他高分子材料復合而成的納米纖維材料，對純PVP或含PVP的材料開展納米紡絲的研究也不少[13-15]，但很少有人將PS和PVP復合進行靜電紡絲。

本文對PS和PVP的復合靜電紡絲進行了研究。采用特殊的紡絲液配備方法，依靠新型氣泡靜電紡絲技術，成功紡制出PS/PVP納米纖維膜，并對PS/PVP納米纖維膜的微觀形態(tài)、親水性能、強伸性能、平均孔徑及空氣流速進行了測試與分析。

1 試驗

1.1 原料及儀器

原料：PVP(相對分子質量160 000，樹脂顆粒，焦作中維特品藥業(yè)股份有限公司)；PS(相對分子質量190 000，樹脂顆粒，蘇州嘉葉生物科技有限公司)； DMF(分析純，湖北新飛化工有限公司)，乙醇(分析純，常州新區(qū)永聯(lián)化工有限公司)。

儀器：S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡(日本日立公司)；Nicolet 5700紅外光譜儀(上海萊睿科學儀器有限公司)；L1860169 Nicolet Centaurus紅外顯微鏡(美國珀金埃爾默公司)；Autosorb-iQ全自動孔隙測試儀(美國康塔儀器公司)；千分尺(上海首豐精密儀器有限公司)；DP-P503-1ACDF0高壓靜電發(fā)生器(天津東文高壓電源股份有限公司)；奧豪斯CP214電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)；INSTRON-3365型材料試驗機(美國INSTRON公司)；JCY-1型接觸角測試儀(上海方瑞儀器有限公司)。

1.2 納米纖維膜的制備

先配備紡絲液：

(1) 以高聚物PS為溶質、DMF為溶劑，配備100 g均勻的紡絲液A，其中PS的質量分數為20%[圖1(a)]。

(2) 以PS為溶質、DMF為溶劑，按照7 ∶32的質量比配備50 g的均勻紡絲液B；以PVP為溶質、乙醇(C2H5OH)為溶劑，按照3 ∶8的質量比配備50 g的均勻紡絲液C；再通過10 mL滴管將紡絲液C緩慢滴入紡絲液B中，直至不產生明顯的絮狀物，得到復合的紡絲液D[圖1(b)]。

圖1 紡絲液的制備

(3) 將PS與PVP按照7 ∶3的質量比進行配備，并以DMF為溶劑配備出紡絲液E，其中PS/PVP的質量分數為20%；利用10 mL滴管在紡絲液E中緩慢滴入乙醇，直至紡絲液E中不產生明顯的顆粒物，攪拌均勻后得到復合的紡絲液F[圖1(c)]。

接著采用簡單的氣泡靜電紡絲裝置，調節(jié)電壓為30 kV、紡絲距離為13 cm，利用相同的紡絲工藝對紡絲液A、紡絲液D、紡絲液F進行紡絲，制備納米纖維膜，分別編號為1#、2#和3#。

1.3 納米纖維膜的性能測試

1.3.1 微觀形態(tài)

利用S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡對3種紡絲液制得的納米纖維膜進行微觀形態(tài)的觀察，并對其中納米纖維的直徑進行統(tǒng)計。

1.3.2 親水性能

為探討納米纖維表面的凹凸結構對納米纖維膜親水性能的影響，對納米纖維膜表面的水接觸角進行測試。

1.3.3 強伸性能

取制備好的完整的3種納米纖維膜，各裁剪5塊長5 cm、寬1 cm的樣品。首先使用千分尺在樣品上選取5個不同的位置，測試并計算樣品的平均厚度。接著，在溫度23 ℃、相對濕度70%的環(huán)境中，使用INSTRON-3365型材料試驗機測試樣品的斷裂強伸性能。測試條件為夾持長度30.00 mm、拉伸速度20.00 mm/min。

(1)

(2)

1.3.4 平均孔徑及空氣流速

取制備好的完整的3種納米纖維膜，分別將它們制成直徑25.00 mm、厚度10 μm的圓形樣品，然后使用POROFIL液體完全浸濕，再使用Autosorb-iQ全自動孔隙測試儀測試樣品的孔徑范圍、平均孔徑及空氣流速。

2 結果分析

2.1 紡絲液的配備方法對納米纖維膜微觀形態(tài)的影響

圖2～圖4分別為1#、2#和3#納米纖維膜的掃描電鏡照片，結合3種納米纖維膜中納米纖維的直徑分布(圖5～圖7)，可以發(fā)現(xiàn)：紡絲液A制備的1#納米纖維膜中，PS納米纖維的平均直徑在120 nm左右，纖維粗細很不均勻；紡絲液D制備的2#納米纖維膜中，PS/PVP納米纖維的平均直徑在75 nm左右，纖維粗細較均勻；紡絲液F制備的3#納米纖維膜中，PS/PVP納米纖維的平均直徑在100 nm左右，纖維粗細均勻性介于1#和2#納米纖維膜之間。

此外，圖2、圖3和圖4的右圖反映了納米纖維的表面狀況：1#納米纖維膜中PS納米纖維表層為多孔結構，表面粗糙；2#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面孔洞明顯減少，且表面粗糙程度明顯降低，光滑性明顯提高；3#納米纖維膜和2#納米纖維膜的纖維成分相同，但3#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面出現(xiàn)了明顯的層次結構，表面粗糙程度更高，孔洞更多，部分表面甚至出現(xiàn)了很深的溝槽。

圖2 1#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖3 2#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖4 3#納米纖維膜的掃描電鏡照片(右圖為放大后的照片)

圖5 1#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

圖6 2#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

圖7 3#納米纖維膜中納米纖維的直徑分布

2.2 紡絲液的配備方法對納米纖維膜親水性能的影響

圖8所示為3種納米纖維膜的水接觸角，可以看出：1#納米纖維膜表面的水接觸角為98°，2#納米纖維膜表面的水接觸角為108°，3#納米纖維膜表面的水接觸角為83°。水接觸角存在差異與納米纖維的表面結構有關。當納米纖維表面存有許多凹槽時，纖維表面會產生毛細效應，此時納米纖維膜的親水性有所提高。

圖8 3種納米纖維膜的水接觸角

2.3 紡絲液的配備方法對納米纖維膜強伸性能的影響

圖9所示為3種納米纖維膜的強伸性能，可以看出：1#納米纖維膜由純PS納米纖維組成，其斷裂強度和斷裂伸長率都介于2#和3#納米纖維膜之間；2#與3#納米纖維膜的纖維成分相同，都為PS/PVP納米纖維，但兩者紡絲液的配備方法存在差異，所得3#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維表面粗糙程度更高，孔洞更多，部分表面甚至出現(xiàn)了很深的溝槽，纖維間滑移阻力增大，其斷裂強度最大、斷裂伸長率最小。

圖9 3種納米纖維膜的斷裂強度和斷裂伸長率對比

2.4 紡絲液的配備方法對納米纖維膜平均孔徑及空氣流速的影響

圖10反映了3種納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速，平均孔徑大則空氣流速快，平均孔徑小則空氣流速慢。其中，2#納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速最小，原因與2#納米纖維膜中PS/PVP納米纖維直徑最小，其堆積的納米纖維膜孔徑最小有關；3#納米纖維膜的平均孔徑及空氣流速最大，主要原因在于纖維表面粗糙程度更高、孔洞更多及纖維直徑較大，這大幅增加了納米纖維膜產生孔隙的幾率。

圖10 3種納米纖維膜的平均孔徑與空氣流速

3 結語

紡絲液的配備方法對制成的納米纖維膜的微觀形態(tài)、親水性能、強伸性能、平均孔徑及空氣流速等有影響：當新型氣泡靜電紡絲技術制備的納米纖維表面粗糙程度高、孔洞多、有凹槽時，所得納米纖維膜會產生毛細效應，其親水性能提高；納米纖維間滑移阻力增大，納米纖維膜的斷裂強度高、斷裂伸長率低；平均孔徑和空氣流速增加。