静电纺丝法制备醋酸丁酸纤维素超细纤维

郭丹丹，刘好花，崔 莉，刘 芬，叶正涛

（武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073）

静电纺丝法制备醋酸丁酸纤维素超细纤维

郭丹丹，刘好花，崔 莉*，刘 芬，叶正涛

（武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073）

采用单因素水平实验法，对所收集到的静电纺样品通过SEM进行微观形貌分析，探究醋酸丁酸纤维素（CAB）在静电纺丝时最佳浓度、电纺电压和接收距离。实验结果表明，20wt%的CAB溶液在25KV电压下，水平接收距离为20cm时静电纺出的纤维膜最佳。

醋酸丁酸纤维素; 静电纺; SEM

静电纺丝纤维因其直径小(纳米至微米级)，比表面积大和弹性好而备受科学家的关注[1]。这些优异的性能使电纺纤维在许多领域有重要的应用，如组织工程支架[2-5]等生物医学，过滤膜[6-8]，药物释放[9]，个体防护、传感、自清洁、催化、能源、光电磁、复合增强、食品工程、化妆品以及其他领域都有潜在的应用价值。

醋酸丁酸纤维素（Cellulose Acetate Butyrate简称 CAB）是一种可再生改性纤维素，具有难燃、优良抗湿、不泛黄、耐寒性好等优点，主要被应用于涂料和皮革光亮剂等领域[10]，CAB在纺织领域应用还较少。本文欲尝试探索通过静电纺丝法制备CAB超细纤维，以期拓展CAB绿色材料应用领域。

1 实验部分

1.1 原料

醋酸丁酸纤维素，数均分子量为30000，美国Sigma-Aldrich 公司；丙酮，分析纯，燕山石化；二甲基乙酰胺，分析纯，上海朗瑞精细化学品有限公司。

1.2 纺丝原液的制备

在室温下将CAB粉末溶解于丙酮(Actone)与二甲基乙酰胺 (DMAC)的体积比为2:1的Actone/DMAC混合溶剂中，配制成含CAB质量分数分别为10%，15%和20 %的CAB/Actone/DMAc溶液。

1.3 静电纺制备CAB纳米纤维膜样品

用静电纺丝试验机(台湾高铁)对纺丝原液进行静电纺。将CAB/DMAC/Actone溶液注入一个容积为6 ml，带有不锈钢针头（尖端磨平，毛细管长度为22 mm，内直径2 mm）的注射器中，注射泵用来给针头提供持续射流。铺着铝箔的转鼓收集装置离针头的水平距离为10-20 cm，电压为10-25 KV，所有的静电纺丝都是在室温下进行。

1.3.1 不同纺丝电压下制备CAB静电纺样品

将质量分数为20 %的CAB溶液通过静电纺丝试验机进行纺丝。 在固定收集水平距离20 cm，静电纺丝的电压为5，10，15，20，25和30 KV的工艺条件下，用锡箔收集所得静电纺样品。

1.3.2 不同接收距离制备的CAB静电纺样品

将质量分数为20 %的CAB纺液在25 KV最适化电压下进行静电纺丝，改变水平接收距离为10, 15, 20,25cm，用锡箔收集静电纺样品。

2 实验结果及表征测试

2.1 溶液性质测试

用NXS-11A型旋转粘度计对CAB/Actone/DMAC溶液的粘度进行测定，用德国Krüss公司生产的K12型表面张力仪对其表面张力进行测定，用DDS-11D型电导率仪对其电导率进行测定。

2.2 CAB静电纺样品的微观形貌

对CAB静电纺丝样品表面在10 mA电流条件下镀金25秒后，再以Hitachi公司S-3000N型扫描式电子显微镜观测其纤维形貌。

3 实验结果分析

3.1 纺丝原液的性质分析

图1为不同浓度CAB溶液粘度，表面张力和电导率与溶液浓度的关系。从图可以看出，CAB溶液的粘度随着CAB浓度从10 wt%增加到20 wt%时明显从51.88增加到131.94mPa·S，当质量分数超过20%时，纺丝原液的粘度变化呈平缓上升趋势；其表面张力数值随着CAB质量分数浓度的增大略微减小，变化不大；其电导率数值却随CAB 浓度由10 wt%增加到30 wt%时先由变大又减小，在CAB含量为20%时达到最大值。众所周知，纺丝原液粘度变大，表面张力变小，纤维可纺性变强，而导电性越好，纤维直径分布变小，电纺样品直径分布更为均匀[11]。故以下实验均选取20wt%的溶液浓度进行。

图1 CAB溶液粘度(△)，电导率(○)与表面张力(□)

3.2 不同电压下静电纺样品的微观形貌分析

图2为质量分数20 %的CAB溶液经电纺固定收集水平距离20 cm，分别在电压为5，10，15，20，25和30 KV的工艺条件下所得样品SEM图。可以观察到当电压为5 KV时，溶液凝聚在针头并滴下来，不能成纤；电压超过10 KV时，电纺样品内出现细小带有梭形珠粒的圆柱型纤维；随电压由10 KV逐渐增加至25 KV时，电纺样品内纤维逐渐被拉长变细且前端的梭形珠粒逐渐消失。当电压增大至30 KV时，电纺样品内部分纤维已被过度延伸至断裂。上述随电压增加所造成电纺样品型态变化，可能是由于当电场电压过小无法克服溶液的表面张力或粘度拉伸纤维形成Taylor锥射流成网；但电场电压过大后又会过度拉伸纤维最终造成断丝现象。

图2 20 wt%CAB电纺样品在接收距离为20 cm，电压为 (a) 5， (b) 10， (c) 15，(d) 20，(e) 25及(f) 30 kv时的SEM照片（×1500）

3.3 不同接收距离下采集静电纺样品的微观形貌分析

图3为20 wt%CAB纺液经25 KV最适化电压电纺后经不同接收距离所收集电纺样品的SEM照片。如图所示，CAB电纺纤维平均直径随接收距离从10 cm增加到20至25 cm时明显由125 nm减小到96 nm至83 nm。值得注意的是，当接收距离小于15 cm时所制备电纺纤维样品内有许多明显之梭形珠粒附着于纤维两端; 事实上，此种梭形珠粒大小与数量均随接收距离减小而增加。当接收距离大于25 cm时，电纺样品内部分纤维已被过度延伸至断丝(见图3-d)。上述随接收距离增加所造成电纺样品型态变化可解释为是由于当接收距离过短时纤维被拉伸不足，导致末端仍残余部分位延伸之珠粒纺液；但接收距离过大后纺液又被过度拉伸纤维最终造成断丝现象。

图3 20 wt%CAB纺液经25 KV电纺及，(a) 10，(b) 15，(c) 20，(d) 25cm接收距离搜集电纺样品的SEM照片（×1500）

4 结论

（1）纺丝原液粘度变大，表面张力变小，纤维可纺性变强。而导电性越好，纤维直径分布变小，电纺样品直径分布更为均匀。综合以上溶液性质，故选取20wt%的溶液浓度进行电纺。

（2）随着静电纺的外加电压逐渐增大，CAB电纺样品内纤维逐渐被拉长变细且前端的梭形珠粒逐渐消失；当电压过大时，电纺样品内部分纤维已被过度延伸至断丝。故25KV为最佳电纺电压。

（3）随着水平接收距离的增加，CAB电纺样品内的纤维平均直径随之减小，但当接收距离小于15 cm时所制备电纺纤维样品内有许多明显之梭形珠粒附着于纤维两端;当接收距离大于25 cm时，电纺样品内部分纤维已被过度延伸至断丝，故20cm 为最佳水平接收距离。

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Electrospinning of Cellulose Acetate Butyrate Ultrafine Fiber

GUO Dan-dan, LIU Hao-hua, CUI Li, LIU Fen, YE Zheng-tao
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073, China)

Ultrafine fibers of cellulose acetate butyrate (CAB) were prepared via elcetrospinning. In this paper, single factor experiment was adopted to determine the effects of electric intensity and tip collector distance on the process of electrospinning and the morphology of the electrospun nanofibers were studied with SEM. The results showed that the nanofibers from solution, in which the content of CAB is 20wt%,and prepared under 25KV,

in 20cm were good for the electrospinning and the control of fiber morphology.

Cellulose Acetate Butyrate; Elcetrospinning; SEM

TQ341＋.2

A

1009－5160(2011)06－0025－05

*

崔莉(1980-)，女，副教授，博士，研究方向：功能纤维及功能纺织品.

湖北省教育厅中青年项目(Q20111609).