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多针头水浴静电纺聚酰胺6纳米纤维束的形成机理及应用研究

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摘要

纳米纤维具有极高的比表面积、优秀的表面性能与优良的力学性能，在纺织、过滤、能源、生物医用、传感、防护等多个领域具有广泛的应用前景，成为了科技领域研究热点之一。将纳米纤维的这些性能应用到三维纤维制品上，制成智能纺织品或功能性纺织品成为纳米纤维应用的发展趋势。静电纺纳米纤维束是制备纳米纤维三维制品的关键原料，对拓展纳米纤维的应用具有重要意义。然而，目前纳米纤维束的产量较小，强力较低，限制了纳米纤维产品的开发与应用。基于此，本文致力于探明稳定连续的多针头水浴静电纺纳米纤维束的形成机理，建立一套高产量纳米纤维束的连续制备方法，同时形成一套完整的纳米纤维束力学性能增强体系，实现高强度纳米纤维纱的连续生产，并将其制备成纳米纤维织物，为纳米纤维三维制品的研究与开发提供理论与实验基础。
　　本文首先利用聚酰胺6（PA6）与多针头水浴静电纺丝装置制备PA6纳米纤维束，并探讨了针头排列与针头数对其结构和性能的影响。通过对多针头静电纺电场的研究发现，针头排列与针头数的变化会导致针头间电场干扰的改变，进而影响纤维束的结构与性能。利用电场干扰理论与Ansoft Maxwell电场模拟软件量化了针头间的电场干扰，并利用其定量分析了针头排列及针头数与纤维束结构和性能的关系。结果表明：利用电场平均偏移量可以定量地表达针头间的电场干扰，电场平均偏移量越大，电场干扰越大。同一针头数下，因针头排列不同而造成的电场干扰增大时，纳米纤维直径近似线性增大，而纤维束的定向度与断裂强度近似线性减小。当针头数不同时，随针头数的增加，电场干扰增大，纳米纤维平均直径与电场干扰几乎线性正相关，纤维束平均定向度与电场干扰近似线性负相关，但其断裂强度与电场干扰的关系不明显。
　　较大的电场干扰会影响纤维束制备的连续性与稳定性。为了减弱电场干扰，对多针头水浴静电纺丝装置添加了辅助电极，并研究了辅助电极参数与纤维束定向度和产量的关系。同时，对纳米纤维的湿法成形与集束过程进行了研究，探明了稳定连续多针头水浴静电纺纳米纤维束的形成机理。结果表明：辅助电极可以优化纳米纤维束的定向度与产量，最优的辅助电极参数为：圆角矩形辅助电极，尺寸100×60mm，高度17.5mm，电压22kV。添加最优辅助电极后，纤维束的产量增加了14.3％，纤维直径减小了9.9%，纤维束定向度增加了24.8%，纤维结晶度、玻璃化转变温度与熔融温度分别增大了9.2%，4.0%与0.7%；纤维束与其中纳米纤维的断裂强度分别提高了33.3%与114.7%，两者的初始模量均提高了近一倍，而两者的断裂伸长率分别减小了12.5%与22.1%。
　　稳定连续的多针头水浴静电纺纳米纤维束的形成机理为：聚合物溶液在多针头高压电场下形成射流；辅助电极用来削弱多针头间的电场干扰，使得射流在运动过程中偏移较小，同时减弱了泰勒锥及射流的不稳定性，使得射流状态较好，纳米纤维损失较少，最终形成状态较好的纳米纤维沉积在浴液中；经过进一步的湿法成形，纳米纤维具有皮芯结构，其外层结构紧实致密，内部结构柔软疏松；在卷绕拉力与水浴阻力的共同作用下，湿法成形的薄片状纤维集合体开始集束，并在浴盘边缘经集束三角区集束成为较细的湿纤维束，再经过烘干装置，形成干纤维束，最终卷绕到卷绕罗拉上形成纳米纤维束。
　　利用后拉伸、并合、加捻、定型等二次加工方法提高纤维束的力学性能，并研究了这些二次加工方法对纤维束结构和性能的影响，建立了一套有效的二次加工体系。结果表明：通过后拉伸处理，纤维束中纳米纤维的直径减小，弯曲与圈圈纤维变少，纤维束的定向度提高，同时纤维的结晶度、玻璃化转变温度、熔融温度、熔融热焓值都增大，因此，经过后拉伸的纤维束的初始模量与断裂强度提高，断裂伸长率降低。纳米纤维纱的定型效果随定型温度与时间的增加而变好，其断裂强度随定型温度和时间的增加而增大，但当温度超过80 ℃且处理时间超过30min时，纱线的断裂强度下降；定型工艺最优参数为：温度90 ℃，时间30min。当捻度为2500tpm时，随并合数的增加，纱线的直径增大，直径的均匀性得到改善，纤维沿纱线捻向的定向度（ADT）增大，而纤维直径减小。当并合数从1根增加到4根时，纱线的初始模量与断裂强度都增大，当并合数继续增加时，其初始模量与断裂强度反而减小；但纱线的断裂伸长率随着并合数的增加而持续增大。当并合数为4时，随捻度的增大，纱线和纤维的直径都下降，ADT增大，纱线的初始模量，断裂强度与断裂伸长率均得到提高，但当捻度高于2500tpm时，其初始模量与断裂强度开始下降。因此4根并合具有2500tpm捻度的纳米纤维纱（4-2500纱线）的断裂强度最优，可以达到初纺纤维束的2.57倍。
　　将4根4-2500纱线并合上浆，利用浆纱过程提高纳米纤维纱的可织性，然后利用针织与机织两种方式将其制备成纳米纤维织物，并研究了纳米纤维织物的结构与性能。结果表明：上浆后纱线的初始模量，断裂强度与断裂伸长率增大，断裂不同时性得到了明显改善；上浆显著提高了纱线的耐磨性与可织性。
　　对于纳米纤维机织物（WNPA）：其比表面积大于其对比织物。WNPA经向的断裂强力、断裂功、断裂比功均大于纬向，而经向的断裂伸长率小于纬向。WNPA的初始吸湿速率、平衡回潮率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整体铺展速率、吸附量与吸附量初始增加速率均大于其对比织物，而其K/S值与液滴在其上的完全铺展时间均小于其对比织物。
　　对于纳米纤维针织物（KNPA）：其比表面积显著大于其对比织物。KNPA横向与纵向的断裂强力、断裂功、断裂比功及断裂伸长率均相差不大。KNPA的初始吸湿速率、平衡回潮率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整体铺展速率、吸附量及吸附量初始增加速率均大于其对比织物，而液滴在其上的完全铺展时间及其K/S值均小于其对比织物。
　　WNPA与KNPA相比：KNPA的比表面积、断裂比功、初始吸湿速率、初始芯吸速率、芯吸高度、液滴在其上的整体铺展速率、吸附量及吸附量初始增加速率均大于WNPA。KNPA的BET值为8.151m2/g，芯吸高度高达109.0mm，液滴在其上的整体铺展速率达到20.202μL/s，90 ℃时KNPA的吸附量可达15.55mg/g。因此，纳米纤维织物具有较大的比表面积，出色的吸湿、润湿及芯吸性能，同时还具有优秀的吸附性能，为后续功能性纺织面料的开发奠定了基础。

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