二醋酸SCA纳米纤维的制备与性能表征

纳米纤维因为其优良的比表面积、高孔隙率、量子效应及优异的光电性能，受到全世界学者的广泛关注，并在研究方法上取得了令人欣慰的成果。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的方法，作为制备纳米纤维的最简单、有效而又容易实现的方法，已被广泛的应用于制备各类纳米纤维。二醋酸纤维作为可再生的纤维素纤维，价格低廉，可降解。并且其自身具有吸附性能，几乎垄断了香烟的过滤嘴材料。Liu 和Hsieh将SCA 纤维溶于丙酮、甲酸、二甲基乙酰胺以及它们的混合液中为纺丝溶液，采用静电纺得到的纤维并探索了其结构与性质之间的关系；Lifeng Zhang，Todd J. Menkhaus 等人对CA 纳米纤维吸附性膜/毡进行了织物性质和生物分离的研究，结论表明CA纳米纤维毡对牛血清蛋白具有良好的静态粘附力，远远超过二乙胺基乙基纤维素（DEAE）膜的吸附能力；Zuwei Ma 等对纤维素纳米纤维膜用静电纺方法制得，论证了其良好的吸附性能。本文主要研究二醋酸纳米纤维的制备方法，讨论二醋酸质量分数对纳米纤维直径影响，分析纳米纤维膜的透气性能，可拓宽醋酸纳米纤维膜应用面。

1 实验
1.1 材料与设备
二醋酸纤维片：Mw=30000 乙酰化:39.8%，南通醋酸纤维有限公司；丙酮，乙酸，二甲基乙酰胺（DMAc），试剂均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；自制静电纺丝装置。

1.2 SCA 纳米纤维的制备
1.2.1 SCA 纺丝液的制备
以丙酮和二甲基乙酰胺（DMAC）为纺丝溶剂，二醋酸纤维素片为纺丝溶质。按照实验设计需要量取丙酮9ml，二甲基乙酰胺6ml，即丙酮：二甲基乙酰胺为3︰2（v︰v）。根据实验所需6%、7%、8%、9%、10%、11%等纺丝液质量分数，分别称取相应的二醋酸纤维素片为0.9g，1.05g，1.2g，1.35g，1.50g，1.65g，制备相应的溶液。将溶液置于磁力搅拌器上，室温下搅拌5 小时，使溶质充分溶解，得到的均匀的溶液即为SCA 纺丝液。

1.2.2 SCA 纳米纤维的制备
将纺丝液倒入纺丝管中，调整纺丝管高度与接收屏的位置，使喷丝头与接收屏的中心位于同一水平线上，二者的距离（C-SD）12cm；将阳极接在喷丝口的毛细管上（孔径0.7mm），阴极粘在接收屏上并接地，在接收屏上粘一块大小合适的铝箔，缓慢调整电压至16kV，进行静电纺丝。不断调整纺丝液的推进速度，使纺丝液处于稳定的无液滴自然下垂状态，在喷丝口形成稳定的泰勒（Tylor）锥。收集铝箔上的纳米纤维，得到二醋酸纳米纤维毡，在室温下干燥。

1.3 SCA 纳米纤维的表征与性能测试
扫描电镜观察纤维形貌（S-570 型，日本HITACHI 公司），利用Image-Pro Express 软件在纤维的SEM 图上测量纤维的直径及分布；CSPM4000原子力显微镜（广州本原科技有限公司）分析形貌和直径，仪器水平分辨率0.1nm，垂直分辨率0.01nm，集原子力显微镜（AFM），扫描隧道显微镜（STM），摩擦力显微镜（LFM）于一身，并配有光学显微镜；YG461E 型织物透气仪对纳米纤维膜进行测试。

2 结果与讨论
2.1 纺丝液质量分数对SCA 纳米纤维成形的影响
实验中取纺丝液质量分数为6%、7%、8%、9%、10%、11%，图1为不同纺丝液质量分数的SCA纳米纤维SEM 图片。

从图1可以看出，纺丝液质量浓度为6%，纺出的纳米纤维上附了一系列的珠粒，珠粒的大小不等，排列不均。主要原因是纺丝液浓度偏小，黏度不够，导致在纺丝过程中不断的有液滴喷出，落在接收屏上而形成珠节，导致纤维不连续。随着纺丝液质量浓度增加，纳米纤维膜中的珠粒在形状上有由球形变为类似叶状的扁平纤维（7%）；液滴的连续状态逐渐好转，纤维形态和纤维上珠粒密度显然变化，珠节变大而数量变少（8%）。当纺丝液质量浓度为9%，显示纳米纤维膜中的纤维已基本连续，仍有珠粒，但纤维的分布状态效果不理想。纺丝液质量浓度为10%，纳米纤维膜中的纤维上的珠粒数目进一步减少，但是从纤维表观看来零星的珠粒还是存在的，而且能看出纤维的粗细分布也不均匀，主要是浓度和黏度没有达到适纺范围造成。纺丝液质量浓度为10%，纤维均匀且连续，基本没有珠节，纤维成形及分布比较均匀。

因此可以通过SEM分析，得出对于制备SCA纳米纤维较理想的纺丝液质量浓度为11%。利用photoshop cs3.0软件进行分析，得出纳米纤维的直径分布在200nm-300nm 之间，纤维的直径分布较均匀。

2.2 SCA 纳米纤维AFM 表征
纺丝质量分数取11%、纺丝速度为0.3ml/h、电压为16kv、纺丝距离为12cm，制备SCA纳米纤维膜。利用AFM（原子力显微镜）对其进行形貌表征。

由图2可以看出，尽管纳米纤维连续但表面不太光滑，但直径大小变异系数不大。边缘整齐，外形较圆润，不存在明显的粗细节；纤维表面有凹凸，高度显示有变化，但这种变化是由于基底铝箔的厚度不匀造成的；同时，在纳米纤维形成的过程中，射流在喷射和收集时会有溶剂的快速蒸发，有可能存在溶剂没完全蒸发的可能，这会在纤维表面留下沟槽或凹凸。整体来讲，纤维表面所产生的细纹少，形态良好。从AFM图估算，纳米纤维的直径在200-300nm，与SEM 图基本一致。

2.3 SCA 纳米纤维膜的透气性分析
透气性是指气体对薄膜、涂层、织物等材料的渗透性。是聚合物重要的物理性能之一，它与聚合物的结构、相态及分子运动情况有关。纳米纤维之所以能够透过气体是因为构成纳米纤维膜的纤维纵横交错排列，形成孔洞，使纤维能够通过。作为纳米纤维薄膜的一个性能之一，通过对几种材料的透气性的测试，对纳米纤维膜的透气性进行了横向的比较。由于所选用样品的厚度不同，考虑到样品厚度越大，透气率越小。故本文以透气率和平均厚度的乘积值表征不同厚度材料的透气性能。样品的厚度见表1。不同材料的透气性能见表2，数值越大表示透气性能越好。

由表2可以看出，SCA纳米纤维膜的透气性与中性定性滤纸接近，为非织造布透气率的1/100倍。可见醋酸纳米纤维膜有一定的透气性，这是因为构成纳米纤维膜的纤维纵横交错排列形成，具有孔洞，所以能透气；其透气性与中性滤纸接近。随着压差逐渐变大，各样品的透气率也呈现线性递增趋势。纳米纤维膜的透气性远低于非织造布，这是由于构成非织造布的纤维直径较粗，其交错时孔径也相对较大，所以其透气性优于纳米纤维膜。

同时测试结果还说明，SCA纳米纤维膜具有良好的截滤功能，而醋酸纤维本身有良好的吸附功能，因此，醋酸纳米纤维在烟用滤嘴、滤菌、空气过滤等方面将会发挥更大的作用。

3 结论
（1）利用静电纺技术，可制备可纺性良好的SCA 纳米纤维，选择丙酮和二甲基乙酰胺两种溶剂的比例在3:2 时，电压在16kv，纺丝液浓度在11%时，可得到连续均匀的SCA纳米纤维。通过SEM分析，纺丝液质量浓度为10-11%，纳米纤维均匀且连续，基本没有珠节，纤维成形及分布比较均匀，纤维直径分布在200nm-300nm 之间。
（2）AFM 分析表明：SCA 纳米纤维外形圆润，不存在明显的粗细节，纤维表面稍有凹凸，直径分布与SEM分析结果一致。
（3）SCA 纳米纤维膜的透气性与中性滤纸接近，具有良好的截滤功能。 

审核编辑：符乾江