饒麗仙 張 俊 高 晶 王 璐

東華大學(xué) 紡織學(xué)院(中國(guó))

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在于任何材料中，包括材料表面的粗糙度、幾何形狀及孔隙結(jié)構(gòu)等。當(dāng)材料的化學(xué)組成確定時(shí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可決定材料的性能及應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，靜電紡絲纖維膜因具有獨(dú)特的性能而應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。靜電紡纖維膜的性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。靜電紡纖維膜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括纖維表面的溝槽、纖維分布及排列、纖維膜表面粗糙度、內(nèi)部孔隙分布與結(jié)構(gòu)，以及宏觀幾何形狀等，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)靜電紡纖維膜的整體應(yīng)用性能產(chǎn)生影響。

本文采用靜電紡絲技術(shù)，通過模板法在熱塑性聚

氨酯(TPU)納米纖維膜表面構(gòu)建出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——不同尺寸的交織結(jié)構(gòu)。測(cè)試并表征TPU微/納米纖維膜的微觀形態(tài)和宏觀結(jié)構(gòu)特征，對(duì)纖維膜的孔徑分布進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料

熱塑性聚氨酯(TPU 85A)購(gòu)自德國(guó)拜耳公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；四氫呋喃(THF)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；金屬編織網(wǎng)由向陽實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司提供。

2 測(cè)試與結(jié)果討論

2.1 紡絲溶液的制備

將1.9 g TPU完全溶解在10 mL DMF/THF混合溶液 [v(DMF)∶v(THF)=2∶8]中，在室溫下攪拌10 h 以獲得混合均勻的紡絲液。

2.2 靜電紡絲

在靜電紡絲準(zhǔn)備過程中，將TPU溶液注入容量為10 mL的一次性注射器中，選用規(guī)格為21G的不銹鋼針頭；注射泵的推注速度為0.7 mL/h；在針頭處接16 kV的高壓正電，接收裝置接地。針尖和收集器之間的距離設(shè)置為16 cm。以金屬編織網(wǎng)為接收模板，獲得不同表面形貌的TPU微/納米纖維膜。編織網(wǎng)的孔徑分別為550、250、150、106、78和58 μm。制得的TPU纖維膜在真空干燥箱中干燥24 h，以去除未完全揮發(fā)的溶劑。

2.3 TPU微納米纖維膜的形貌表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)lexSEM 1000型，日本Hitachi公司)表征TPU微/納米纖維的微觀形態(tài)。采用光學(xué)顯微鏡(OM，PXS8-T型，中國(guó))觀察TPU纖維膜的表面形態(tài)。采用Image pro和Origin 2018軟件測(cè)量和分析纖維直徑與直徑分布。

研究表明，采用孔徑為550 μm的金屬編織網(wǎng)可成功制備具有交織結(jié)構(gòu)的TPU纖維膜(圖1)。所得纖維膜的表面結(jié)構(gòu)非常清晰，纖維在凹處無序排列，在凸起處具有一定的取向。此外，平行排列的纖維沉積密度較高，而無序排列的纖維沉積密度較低[1-2]。

圖1 TPU纖維膜的SEM圖(金屬編織網(wǎng)孔徑為550 μm)

圖2所示的編號(hào)為TPU-P1、TPU-P2、TPU-P3、TPU-P4、TPU-P5和TPU-P6的纖維膜分別為由孔徑為550、250、150、106、78和58 μm的金屬編織網(wǎng)接收獲得。由圖2可知，隨著金屬網(wǎng)孔徑的減小，具有不同尺寸交織結(jié)構(gòu)的TPU纖維膜的表面圖案變得越來越小，且越來越不清晰[3-4]。

圖2 不同孔徑金屬編織網(wǎng)接收的TPU纖維膜的光學(xué)顯微鏡照片

2.4 TPU微納米纖維膜的孔徑分析

采用孔徑分析儀(CFP-1100AI型，美國(guó))分析不同尺寸結(jié)構(gòu)TPU纖維膜的孔徑分布。研究表明，纖維膜的孔徑隨著金屬網(wǎng)孔徑的減小而減小，其中，TPU-P1纖維膜的大孔徑占比最大(圖3)。隨著金屬編織網(wǎng)孔徑的減小，大孔徑的占比降低，這主要是因?yàn)槔w維在不同位置處的排列方式不同所致。

圖3 不同TPU纖維膜的孔徑分布