靜電紡絲制備竹纖維素/PAN超細纖維的工藝技術與過濾實驗

馬傳順

廈門保視麗無塵科技有限公司,福建 廈門 361000

從靜電紡絲技術所得到的纖維產物來看，所有纖維的直徑規格有一定的標準，通常是在幾十納米至幾微米的區間內，整體來看纖維產物比表面積高，同時在實際的使用中吸附性能較強，其產品在諸多行業中發揮著重要作用，例如增強材料使用、空氣高效過濾等行業。

竹纖維的概念是一種在生長竹子內部所制備的纖維產物，在行業中占據的比例也逐步提升，同時也被行業認定是棉、麻等之后的第五大纖維物質，尤其是該纖維物質具備較多的性能優勢，產物吸水性能強、高耐磨性、使用透氣性好、具備較強的抵御紫外線能力等，因此在服飾設計行業、裝修領域等發揮著重要作用。從現階段的纖維產業發展來看，對于竹纖維的裝備與生產技術并非是單一的，其中包含物理機械碾壓成型技術以及黏膠方法，但是對于靜電紡絲的制備工藝沒有較多的研究與探討，該制備方法也是處于初始發展時期。本次課題是借助于LiCl/DMAc化學溶解試劑，有效處理竹纖維素和聚丙烯腈(PAN)，直至完全溶解。將所得到的反應產物按照一定的配比制備成為紡絲液，經過靜電紡絲工藝手段得到竹纖維素/PAN超細纖維，其直徑尺寸維持在130~450nm的區間范圍內，并將產物直徑數值和影響因素深入分析，不僅如此，還針對夾心凈化材料進行了必要的過濾測定實驗。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

竹漿粑：來源于中國林科院；所使用DMAc：分析純，來源于福晨化工企業；氯化鋰試劑（Li-Cl）：含量選定為97%，來源于福晨化工企業；聚丙烯腈(PAN):相對分子質量是30000，來源于金山化工企業；玻璃纖維：來源于九鼎公司；PS微球:規格使用1μm，來源于納微技術企業；靜電紡絲設備：實驗室內部制作；旋轉黏度設備：使用Visco Basic+系列，廠商為瑞特恩企業；張力測定機器：型號為BZY-1，廠商為上海衡平設備公司。

1.2 靜電紡絲技術制備產物研究

將竹漿粑作為處理對象，使用甲醇試劑/DMAc方式完成其活化進程，制備濃度含量是8%的LiCl/DMAc化學溶解試劑與竹漿粑反應，均勻混合后添加適當的PAN，最終得到不同質量分數等級的紡絲液，本次實驗將質量分數設定為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%，所有制備完成的產物中PAN質量分數是固定的，設定為16%[3]。借助于張力測定以及黏度測定設備完成產物的檢測流程。使用靜電紡絲設備在常溫條件下進行加工，所有的纖維膜放在干燥裝置中處理，時長設定在12小時。將最終的產物放置在SEM下觀測，并借助于Image-Pro Express程序對所有纖維產物直徑數據進行有效處理。

1.3 夾心凈化材料的制作和分析

在實驗用濾布上完成超細纖維的紡絲流程，該過程是借助于靜電方式制作；之后對濾布作溫處理，將輥筒的溫度設定為175℃，設備間隔距離穩定在0.3mm，夾心凈化材料在全部加溫壓制后得到[4]。采用PS微球作為中間過濾載體，使用SF＝1-C2/C1計算材料過濾性能，其中將C1和C2定義為處理前后的濁度數值，將數值結果作為評定過濾能力的標準[1]。

2 結果與探討

2.1 紡絲參數與纖維形貌的關聯性

纖維最終表現形式和較多的外部影響要素與制備過程條件有密切關聯性，現從如下幾個層面進行深入分析探討。

2.1.1 竹纖維素濃度

從實際實驗數據中，濃度數值的大小對紡絲液的諸多性質有影響，其中包含黏度表現、導電性能等，最終會使其產物直徑發生較大波動。通常情況下，濃度含量與黏度、產物直徑數值呈現出正比關系。導電性能會對分布電荷有直接作用，進而影響張力大小[2]。

就本次分析來看，以濃度作為主體影響要素。由表1的數據得出，穩定PAN的質量分數，濃度與液體表面張力呈正比，但是濃度上升對于導電性能的作用可以忽略。實驗所得到的圖1是濃度穩定在0.8%得到的纖維產物觀測圖以及分布數據。

2.1.2 紡絲電壓的影響

該影響因素在加工流程中占據較大作用比例，與產物直徑數值有密切聯系。本次分析是將纖維質量分數選定為0.8%，制備接收間隔在14cm的距離范圍。從圖2可看出電壓與產物直徑數值的變化關系數據圖像?？紤]到設備自身負荷影響，16kV為紡絲電壓的最優解。

表1 不同質量分數的竹纖維素電紡工藝對比

圖1 纖維質量分數為0.8%的竹纖維素/PAN超細纖維掃描電鏡圖像及直徑分布

圖2 超細纖維平均直徑與電壓之間的關系

2.1.3 接收間隔的影響

此要素在纖維制備中同樣需要著重考慮。通常情況下，距離數值的提升，最終會導致纖維制備環節有較多的分裂表現，同時拉伸比例也在逐步提升，得到的纖維直徑顯著降低，但是該過程中紡絲液會殘留在噴頭位置處不能充分反應，使得針頭發生堵塞的概率增長。

分析實驗中穩定纖維質量分數選定為0.8%，并將電壓選定為最佳16kV，得到圖3的距離與直徑數值的數據關系圖像。從圖中得出，在6~22cm的區間范圍內，直徑呈現出降低趨勢，但是由于兩者距離上升時會出現針頭堵塞的現象，本次制備中選取14cm作為間隔。

圖3 超細光纖平均直徑與接收間隔的關系

2.2 過濾性能分析

使用靜電紡絲設備在常溫條件下進行加工，所有的纖維膜放在干燥裝置中處理，時長設定在12小時。將最終的產物放置在SEM下觀測，圖4是在側面采集到的SEM圖像。

圖4 經過加工和干燥處理的產物SEM圖像

本次實驗選定1微米規格的PS微球作為中間過濾載體。圖5是在纖維材料差異性分布條件下得到的過濾性能圖?？傻贸銎渥畲罂煞€定99.5%的過濾效果。

圖5 過濾效率和區域密度之間的關系

3 結語

本次實驗借助于氯化鋰/N,N-二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）化學試劑有效處理竹纖維素和聚丙烯腈（PAN），直至完全溶解。將所得到的反應產物按照一定的配比制備成為紡絲液，之后經過靜電紡絲工藝手段得到竹纖維素/PAN超細纖維，其直徑尺寸維持在130~450nm的區間范圍內。將產物直徑數值和影響因素深入探討可以得出，纖維直徑數值與制備環節所使用竹纖維含量之間呈現出顯著的正比關聯，與紡絲間隔尺寸呈現反比。由實際實驗測定數據可得，紡絲制備系數最優解是質量分數在0.8%節點，處理電壓在16kV，在14cm的間隔位置。使用該制備材料并通過綜合過濾實驗得知，過濾水平和纖維膜密度以及初始試劑含量有正相關聯系，從數據得出過濾極值可穩定在99.5%。