摘 要：為構(gòu)建多尺度親水性聚丙烯腈/氧化鋅（PAN/ZnO）纖維，首先優(yōu)化靜電紡絲溶液和工藝參數(shù)，保持紡絲液中PAN與醋酸鋅（Zn（AC）₂）質(zhì)量配比6∶1、紡絲電壓20 kV、紡絲距離15 cm，制備直徑分布均勻且光滑的前驅(qū)體PAN/Zn（AC）₂復合纖維；然后對該纖維進行預熱處理，再通過低溫水熱反應在纖維上垂直生長出不同形貌的亞微米ZnO結(jié)構(gòu)，使得ZnO納米棒直徑與PAN纖維直徑大小之間存在尺度梯度，形成多尺度，并對PAN/ZnO纖維浸潤機制進行了分析。采用X射線衍射儀（XRD）、傅里葉紅外光譜儀（FTIR）、JY-82B視頻接觸角測定設(shè)備，分別對所制得纖維的晶體結(jié)構(gòu)、表面官能團、水接觸角進行分析測試，結(jié)果表明：無論水熱生長的亞微米ZnO呈六棱柱狀、片狀、還是塊狀，只要其能垂直均勻地生長在纖維表層，所構(gòu)成的多尺度PAN/ZnO纖維都能表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性能。多尺度結(jié)構(gòu)親水性纖維的成功制備，對纖維及其織物的親疏水功能性整理有參考性意義。

關(guān)鍵詞：微納結(jié)構(gòu)；多尺度；靜電紡絲；ZnO

中圖分類號：TQ340.64

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）08-0046-10

收稿日期：20231110

網(wǎng)絡出版日期：20240227

基金項目：浙江省基礎(chǔ)公益研究計劃項目（LQ21E030016）；中國博士后科學基金資助項目（2021M692866）

作者簡介：魏啟程（2003—），男，云南臨滄人，主要從事功能性纖維開發(fā)與性能分析方面的研究。

通信作者：李雅，E-mail：liya@zstu.edu.cn

隨著科學技術(shù)的不斷進步和人民生活水平的不斷提高，產(chǎn)品差別化是市場發(fā)展的大勢所趨，人們對功能性纖維及其織物的需求量大大增加。目前，靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)得到了很大發(fā)展，且工藝參數(shù)較易控制，其中靜電紡親疏水性微納纖維的制備工作不斷走向成熟。Zhu等^［1］采用靜電紡絲法制備出了具有分層微納結(jié)構(gòu)的超疏水型納米纖維；仝偉等^［2］在PAN紡絲液中加入多巴胺等制備出了雙疏性PAN空心纖維；孫晶等^［3］以聚偏氟乙烯（PVDF）粉末為原料，用靜電紡絲法制備了PVDF超疏水納米纖維，具有優(yōu)良的防水效果。并且，所制備靜電紡纖維的表面形貌、材料組成一直在不斷改進中，例如，Pal等^［4］靜電紡改性聚苯乙烯，在纖維表面形成了納米凸起與溝槽結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)，使材料的超疏水性能大大提升；朱染染等^［5］采用靜電紡制備出的聚乳酸/聚己內(nèi)酯復合納米纖維具有良好的疏水親油性；彭蕙等^［6］則利用靜電紡技術(shù)制備出了具有不同親疏水性能的微納米纖維/棉纖維包芯紗。此外，ZnO具有親水性能且在制備特殊表面形貌方面可控，一般ZnO納米棒的制備方法主要分為氣相法與液相法，而水熱法即液相法中的一種^［7］。水熱生長的ZnO性能優(yōu)異、制備成本低并能夠用于大量制備。Chen等^［8］采用二水合硝酸鋅作為反應溶劑，制備出了呈六角型的ZnO單晶體。Zhang等^［9］將飽和的四氫氧合鋅絡合離子（Zn（OH）^2-₄）作為生長液，生長出的ZnO納米棒呈現(xiàn)出刷子狀。因此，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和水熱生長法，在PAN基復合纖維上構(gòu)建獨特的ZnO微納結(jié)構(gòu)，制備多尺度親水性PAN/ZnO纖維，改善纖維的親水性能，并進一步探究其表面浸潤機制，該機制可應用于纖維及其織物的親疏水功能性整理。

本文采用靜電紡絲技術(shù)制備前驅(qū)體PAN/Zn（AC）₂復合纖維并進行熱處理，通過低溫水熱反應在纖維上垂直生長不同形貌的亞微米ZnO結(jié)構(gòu)，來制備親水性能優(yōu)異的多尺度PAN/ZnO纖維。

1 實驗

1.1 原料及試劑

PAN（上海麥克林生化科技有限公司），N，N-二甲基甲酰胺（DMF，分析純，杭州高晶精細化工有限公司），Zn（AC）₂（分析純，上海麥克林生化科技有限公司），氯化鋅（ZnCl₂，浙江騰宇新材料科技有限公司），氨水（上海麥克林生化科技有限公司），六次甲基四胺（HMAT，分析純，國藥集團化學試劑有限公司），去離子水（實驗室自制）。

1.2 實驗設(shè)備

S82-1型磁力攪拌機（上海志威電器有限公司），SX2-12-CA馬弗爐（紹興市易誠儀器制造有限公司），F(xiàn)A1004電子天平（張家港友誠新能源科技股份有限公司），JDF05靜電紡絲機（長沙納儀儀器科技有限公司），DHG-9023A烘箱（浙江納德科學儀器有限公司）。

1.3 實驗方法

稱取一定量的PAN、Zn（AC）₂粉末，加入盛有DMF的溶劑瓶中來配置質(zhì)量分數(shù)為8%的紡絲液，進行靜電紡絲。通過調(diào)整PAN與Zn（AC）₂的質(zhì)量比例進行對比實驗，在掃描電子顯微鏡下觀察其纖維分布，以確定最佳質(zhì)量配比。調(diào)整紡絲參數(shù)紡絲電壓、紡絲距離，確定最佳紡絲參數(shù)。將最佳參數(shù)下所紡纖維膜裁剪后平鋪在錫紙上，放入馬弗爐中，130 ℃下處理10 h，進行熱處理生長ZnO種子層。然后采用水熱法，先取100 mL去離子水置于燒杯中，向去離子水中加入摩爾比為1∶1的HMAT與鋅鹽并使用玻璃棒攪拌均勻，調(diào)整生長液的總物質(zhì)的量濃度，確定最佳生長液濃度。再向溶液中加入體積分數(shù)為5%的氨水來配置總體積為200 mL的ZnO納米棒生長液，調(diào)整確定最佳氨水體積占比。再將經(jīng)熱處理后已經(jīng)生長了ZnO種子層的納米纖維裁剪為5.0 cm×5.0 cm的方塊，放入盛有生長液的燒杯中，再放入馬弗爐中100 ℃處理10 h，放入配置好的生長液中生長ZnO，結(jié)束后使用清水仔細清洗纖維并放入烘箱中烘干。

1.4 測試與表征

1.4.1 微觀形貌表征

使用德國Ultra 55型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）來觀察所紡纖維的纖維分布，并使用Image-Pro Plus軟件隨機選取100根纖維來分析纖維分布狀況。

1.4.2 XRD測試

將不同條件下處理的樣品進行XRD衍射分析，測定晶體結(jié)構(gòu)的變化。

1.4.3 FTIR測試

將不同條件下處理的所制樣品裁剪出1.0 cm×1.0 cm方塊，采用VERTEX70傅里葉紅外光譜儀分析不同條件下處理的納米纖維表面官能團的變化。

1.4.4 水接觸角測試

將不同條件下處理的樣品裁剪出兩個0.5 cm×0.5 cm方塊，采用承德鼎盛試驗機檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JY-82B視頻接觸角測定儀測試纖維水接觸角的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAN/Zn（AC）2復合纖維的形貌分析

2.1.1 PAN與Zn（AC）₂的配比對纖維形貌的影響

當紡絲液中PAN與Zn（AC）₂的質(zhì)量配比分別為3∶1、2∶1、1∶1時，納米纖維的纖維形貌情況如圖1（a）—（c）所示。由靜電紡絲原理可知，紡絲時溶液中帶電粒子增加，有助于在針頭處形成泰勒錐，促進射流產(chǎn)生，增加電場力對纖維的拉伸，使得所紡纖維變細^［10］。Zn（AC）₂含量的增加會使溶液中的帶電粒子增加；但當溶液中Zn（AC）₂的含量增加時，紡絲液流動性增大，當PAN與Zn（AC）₂的質(zhì)量配比為1∶1時，需降低紡絲速度才能維持紡絲的正常進行。由圖1（b）和圖1（c）可以看出，當PAN與Zn（AC）₂的質(zhì)量配比為2∶1、1∶1時，紡出的纖維雖然變細但成型不良，大量纖維短小且粗細不均，并產(chǎn)生了很多明顯的粗細節(jié)；PAN與Zn（AC）₂的質(zhì)量配比為1∶1纖維伸直度極低，這可能是由紡絲液中電導率太大以及紡絲液粘度變化造成的。相比之下，PAN與Zn（AC）₂質(zhì)量配比為3∶1左右時纖維成型良好，因此，后續(xù)實驗采用該配比的紡絲液進行纖維的紡制。

2.1.2 紡絲參數(shù)變化對纖維形貌的影響

為進一步得到成型良好、伸直度高、細度均勻的復合纖維，先后調(diào)整了紡絲電壓與紡絲接受距離，并對纖維直徑分布進行了分析。首先在保持紡絲接收距離不變條件下將紡絲電壓升高。紡絲電壓的升高可以使纖維細度的降低或升高，這是因為過高的紡絲電壓會導致纖維來不及牽伸而被固化在接收板上^［11］。電壓升高紡制的纖維就可能會出現(xiàn)纖維直徑分布過于離散的情況，因此合理選擇紡絲電壓十分有必要。

不同紡絲電壓下PAN/Zn（AC）₂復合纖維形貌的SEM圖及其直徑分布如圖2和圖3所示，當紡絲電壓由15 kV增加到18 kV時，纖維的平均直徑由147 nm下降到121 nm，且纖維分布仍保持較為集中，但仍有少量粗細節(jié)產(chǎn)生。進一步提高電壓至20 kV，纖維平均直徑反而開始增大，但已無粗細節(jié)產(chǎn)生且纖維表面光滑；增加到22 kV后有粗細節(jié)產(chǎn)生。因此，紡絲電壓約為20 kV是本文較好的電壓工藝參數(shù)。

接收距離過短會導致纖維發(fā)生黏連，過長會導致串珠的產(chǎn)生且纖維分布過于離散^［12］。不同紡絲距離下PAN/Zn（AC）₂復合纖維形貌的SEM圖及其直徑分布如圖4和圖5所示，從圖中可看出：當接收距離由10 cm增加至15cm時，纖維表面粗細節(jié)消失；增加至20cm時，纖維表面又有粗細節(jié)產(chǎn)生；當接收距離增加到25 cm時，纖維離散程度無明顯增加，但觀察到有串珠分布在纖維表面。接收距離由10 cm增加到25 cm的過程中，纖維平均直徑由163 nm減小為126 nm，這是因為距離的增加在使纖維牽伸充分的同時降低了射流的穩(wěn)定性，纖維伸直度有所下降。可見，實驗初定的15 cm左右是本文較好的接收距離工藝參數(shù)。

2.1.3 Zn（AC）₂的加入對纖維直徑的影響

純PAN納米纖維的SEM圖及其直徑分布如圖6所示，從圖中可以看出：當紡絲液中只含有PAN時，纖維直徑的平均值為173 nm，對比圖2—圖5中加入了Zn（AC）₂之后，在本文設(shè)置的各個紡絲參數(shù)下，纖維直徑的平均值均小于純PAN纖維的纖維直徑的平均值，這表明Zn（AC）₂的加入使溶液電導率的增加而使得纖維所受牽伸增強，纖維的直徑減小。

2.1.4 種子層的生長

ZnO種子層在130 ℃熱處理前后纖維表面的變化情況如圖7所示，從圖中可以看出：經(jīng)熱處理后Zn（AC）₂分解產(chǎn)生ZnO種子層，纖維直徑增加、伸直度下降，纖維表面有小顆粒產(chǎn)生，可見ZnO種子層起到了誘導同質(zhì)外延生長的作用。

2.1.5 生長液濃度的變化對ZnO生長狀況的影響

在進行水熱實驗生長ZnO之前，將制備好的纖維進行熱處理，以生長ZnO種子層。ZnO種子層會將生長液中Zn²⁺與OH^-吸附到纖維表面進而完成纖維表層ZnO納米棒的生長^［13］。處理溫度與處理時長都會影響ZnO種子層的生長情況。處理溫度過高難以得到充足的ZnO種子層，溫度過低時，過于繁復的種子層會使后續(xù)纖維表面生長的ZnO納米棒密而短。本文中的熱處理采用130 ℃處理10 h。利用HMAT、Zn（AC）₂還有氨水的混合溶液進行水熱實驗生長ZnO的過程中，Zn²⁺會與NH₃結(jié)合生成［Zn（4NH₃）］²⁺，溶液中的HMAT與氨水會釋放出OH^-與［Zn（4NH₃）］²⁺結(jié)合生成Zn（OH）₂，在水熱環(huán)境下Zn（OH）₂就可在纖維表面進一步生成ZnO。本文采取了3種不同的生長液濃度，不同生長液濃度下生長ZnO的SEM圖如圖8所示，從圖中可以看出：當生長液濃度為0.05 mol/L時，纖維表面沒有生成ZnO，當生長液濃度升為0.10 mol/L時，纖維表面僅有非常少量的ZnO生成，且長出的ZnO納米棒細而短，可見當生長液濃度低于0.10 mol/L時，Zn²⁺含量過低，ZnO種子層難以將其吸附到纖維表面，無法得到垂直生長的ZnO納米棒。當生長液濃度升至0.15 mol/L時，可以觀察到，纖維表層平鋪生長了許多雜亂無序的ZnO納米棒。造成這一現(xiàn)象的原因是生長液中提供Zn²⁺的藥品為Zn（AC）₂，當生長液中Zn（AC）₂濃度增加時雖提供了更多的Zn²⁺，但醋酸根離子在水熱環(huán)境下不穩(wěn)定，Zn²⁺還未被大量吸引到纖維表層就已經(jīng)轉(zhuǎn)化為ZnO，平鋪在纖維表面并覆蓋住了在纖維表層少量垂直生長的ZnO納米棒。此外，氨水的體積占比可能過低，使得OH^-離子提供不足，難以在纖維表面生長出ZnO。

2.2 水熱法生長的ZnO形貌分析

2.2.1 PAN與Zn（AC）₂配比調(diào)整對纖維的影響

PAN與Zn（AC）₂不同質(zhì)量配比下纖維形貌的SEM圖及纖維的直徑分布如圖9和圖10所示，當降低紡絲液中Zn（AC）₂的含量，使PAN與Zn（AC）₂質(zhì)量配比為6∶1，纖維直徑有些許增加，但纖維分布集中度得到提升，同時產(chǎn)生的串珠明顯減少，成纖性更好，有助于水熱過程中ZnO的穩(wěn)定生長。故在后續(xù)實驗中采用此質(zhì)量配比的紡絲液制備纖維，以便于ZnO納米棒的垂直生長。PAN與Zn（AC）₂不同質(zhì)量配比ZnO種子層的SEM圖如圖11所示，從圖中可以看出：兩種質(zhì)量配比下種子層的變化，質(zhì)量配比為6∶1時纖維排列更加整齊。

2.2.2 生長液濃度的調(diào)整對ZnO形貌的優(yōu)化

為減少生長液中提供過多的Zn²⁺，避免ZnO覆蓋在表面，將生長液中Zn（AC）₂更換為不含氧離子的ZnCl₂，采用不同的生長液濃度，不同生長液濃度下生長ZnO的SEM圖如圖12所示，從圖中可以看出：當生長液濃度為0.10 mol/L時，纖維表面生長的ZnO納米棒排列緊密，粗細較為均勻，但長短不一且排列雜亂無序，ZnO納米棒頂端不平整，纖維上ZnO納米棒堆積之間時有間隙。當生長液濃度為0.15 mol/L時，ZnO納米棒垂直且較為十分均勻地分布在纖維表層，納米棒的直徑分布及長短分布的集中度明顯提升，普遍呈細小的棒狀。繼續(xù)增加生長液濃度的濃度至0.20 mol/L時，納米ZnO形狀沒有明顯改變，但納米棒的生長數(shù)量大幅減少，ZnO種子層的纖維根明顯暴露出來，ZnO納米棒并沒有垂直生長而是凌亂分散地貼附在纖維表面，粗細長短極度不均勻。因此，生長液濃度為0.15 mol/L時ZnO納米棒垂直生長的形貌最佳。

2.2.3 氨水占比的調(diào)整對ZnO形貌的優(yōu)化

生長液的pH值位于7～10之間是ZnO生長的必要條件^［14］。氨水的加入可以增加前驅(qū)物質(zhì)的分解速率進而提升ZnO的生長速率，同時堿性環(huán)境下ZnO更容易吸附溶液中的OH^-，使得生長出的ZnO形貌更佳。

0.1 mol/L下不同氨水體積占比下生長ZnO的SEM照片如圖13所示，從圖中可以看出：生長液濃度為0.10 mol/L、氨水體積占比為5%時ZnO納米棒的成型及排列取向欠佳，可以通過改變氨水的體積占比來優(yōu)化ZnO納米棒的生長狀況。在生長液濃度保持0.10 mol/L不變時，將氨水的體積占比由5%調(diào)至10%、15%。氨水的體積占比達到10%時，ZnO納米棒的生長數(shù)量下降了，但直徑有所增加，ZnO呈顯出非常明顯的正六棱柱狀，部分垂直生長、部分平鋪貼附在纖維表面。繼續(xù)增加氨水體積占比至15%，ZnO已經(jīng)變成了片狀，表面十分光滑，排列緊密，隔空垂直排列在纖維表面。

0.15 mol/L不同氨水體積占比下生長ZnO的SEM圖如圖14所示，從圖中可以看出：生長液濃度為0.15 mol/L、氨水體積占比為5%時ZnO納米棒垂直分布的取向性良好，只是生長的ZnO納米棒直徑偏小，在此生長濃度下增加氨水含量來觀察ZnO形貌的變化。氨水的體積占比達到10%時，ZnO直徑大幅增加，數(shù)量、長度明顯下降，ZnO短而粗似塊狀，部分側(cè)躺在纖維表面。氨水的體積占比提高至15%時，ZnO直徑繼續(xù)增加，晶面結(jié)構(gòu)十分明顯，頂面為正六邊形，垂直生長在纖維表面?？梢?，在此生長液濃度下增加氨水體積占比，可以在一定程度上增大ZnO橫截面尺寸。

綜上，在其他參數(shù)優(yōu)化后并且一定時，無論生長液在何種濃度，隨著氨水濃度的增加，PAN纖維上生長的ZnO的尺寸變大，與PAN纖維之間形成直徑大小的尺度梯度，構(gòu)筑了PAN/ZnO纖維的多尺度結(jié)構(gòu)。

2.3 多尺度PAN/ZnO纖維的性能分析

2.3.1 XRD衍射分析結(jié)果

純PAN紡出的纖維、PAN/Zn（AC）₂復合纖維（PAN與Zn（AC）₂質(zhì)量配比6∶1）、130 ℃熱處理生長ZnO種子層的纖維，以及水熱生長出ZnO納米棒（生長液濃度為0.15 mol/L、氨水體積占比為5%處理下）的復合纖維的XRD圖譜如圖15所示，從圖中可以看出：ZnO納米棒譜線在2θ=32.03°、34.64°、36.64°、47.68°、56.72°、63.35°、66.57°、68.71°、69.39°這9處均出現(xiàn)衍射峰，這9處分別對應于ZnO的（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）、（201）晶面，即ZnO納米棒表現(xiàn)為六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)^［15］。（100）、（002）、（101） 3處主要晶面峰值清晰明顯，說明所制備的PAN/ZnO纖維中ZnO結(jié)晶程度較高。

2.3.2 FTIR分析結(jié)果

純PAN紡出的纖維、添加Zn（AC）₂的復合纖維（PAN與Zn（AC）₂質(zhì)量配比6∶1）、130 ℃熱處理后生長出ZnO種子層的纖維以及水熱生長出ZnO納米棒（生長液濃度為0.15 mol/L、氨水體積占比為5%處理下）的纖維，4種樣品的紅外光譜圖如圖16所示，從圖中可以看出：生長ZnO前后，波長為2250、1726 cm^-1處PAN中的氰基C≡N、羰基C≡O(shè)以及1447 cm^-1處亞甲基—CH₂ 3處特征峰無變化，但130 ℃熱處理后的樣品在對應H—O—H的1576 cm^-1處及對應O—H的3430 cm^-1處的吸收峰消失，這說明經(jīng)熱處理后纖維表面的殘留的有機溶劑和水分子已經(jīng)蒸發(fā)，同時可看到在445 cm^-1處有新的吸收峰出現(xiàn)，意味著ZnO種子層已經(jīng)形成。同時，由水熱處理后生長的ZnO光譜可以看出，3430 cm^-1處出現(xiàn)了較寬的吸收峰，這源于ZnO表面吸附的水分子。

2.3.3 水接觸角測試結(jié)果

水接觸角的大小可以作為材料親疏水性能的判斷指標。未經(jīng)處理的PAN/Zn（AC）₂復合纖維和經(jīng)熱處理生長出ZnO種子層的水接觸角數(shù)值分別為132.51°、128.96°，均表現(xiàn)為疏水性。實驗測試了生長液濃度為0.15 mol/L、氨水體積占比分別為5%、10%、15% 3種參數(shù)下處理的纖維的水接觸角，這3種參數(shù)下ZnO納米棒垂直生長取向度較高，ZnO可以垂直均勻地分布在纖維表面。同時還測試了納米ZnO生長成片狀（生長液濃度為0.1 mol/L、氨水體積占為5%處理下）的纖維的水接觸角。這4種樣品的水接觸角均達到了0°，表現(xiàn)出超親水性，水滴在接觸到纖維的瞬間即可完全被吸收到纖維中。由于這4種樣品的水接觸角均達到了0°，本文統(tǒng)一用樣品垂直ZnO納米棒來表示，不同處理階段纖維水接觸角的變化如圖17所示，從圖中可以看出：不同實驗階段水接觸角的變化，這意味著本研究通過熱處理生長ZnO種子層及水熱處理生長ZnO納米棒兩步法實現(xiàn)了纖維由疏水向親水的過渡，成功制備出了多尺度親水性PAN/ZnO纖維。

2.4 PAN/ZnO親水纖維表面浸潤機制

Wenzel^［16］研究了固體材料表面粗糙程度對潤濕性的影響，并提出了Wenzel模型，論證了固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)可以增強其潤濕性。Wenzel模型假設(shè)液滴是完全浸潤在粗糙固體表面的溝槽中，Wenzel模型示意圖如圖18所示，圖中γ_LV、γ_SV、γ_SL分別表示液體與氣體、固體與氣體、液體與固體間的界面張力，從圖中可以看出：固體表面溝槽的存在會增加固液的真實接觸面積，使其不同于表觀接觸面積，從而引發(fā)接觸角（θ）的改變。如果固體表面的化學組成相同，且液體在平坦光滑固體表面的接觸角小于90°，則在粗糙表面的接觸角會更小；若原本在平坦光滑固體表面的接觸角大于90°，則在粗糙表面的接觸角會變小。即增加親液表面的粗糙度會使表面變得更親液；反之，增加疏液表面的粗糙度會使表面更疏液。因此，固體表面的潤濕性是由其表觀接觸角共同決定的，在固體表面構(gòu)造粗糙結(jié)構(gòu)可以達到倍增潤濕性的效果。本研究在PAN纖維上生長具有親水性質(zhì)的亞微米ZnO，并調(diào)整參數(shù)讓其垂直排列在表面，形成了多尺度結(jié)構(gòu)，從而增加了粗糙度，所構(gòu)成的微納結(jié)構(gòu)為液滴留下充足的浸潤空間，大大增加了液滴與纖維表面的接觸面積，使原有的親水性得到進一步增強。

3 結(jié)論

本文結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和水熱處理，優(yōu)化紡絲溶液和工藝參數(shù)，在PAN纖維上垂直生長不同形貌的亞微米ZnO結(jié)構(gòu)，增加了表面粗糙度，成功制備了多尺度的親水性PAN/ZnO復合纖維，并結(jié)合Wenzel模型對其浸潤機制進行了探究，主要結(jié)論如下：

a）當靜電紡絲紡絲液中PAN與Zn（AC）₂質(zhì)量配比保持為6∶1、紡絲電壓為20 kV、紡絲距離為15 cm時，前驅(qū)體PAN/Zn（AC）₂復合纖維的伸直度、直徑分布離散度、表面光滑程度表現(xiàn)最佳。

b）水熱處理生長ZnO，生長液中HMAT與ZnCl₂摩爾比保持為1∶1，100 ℃下生長10 h，在生長液濃度為0.15 mol/L、氨水體積占比為5%、10%、15%或生長液濃度為0.1 mol/L、氨水占比為15%時可以得到水接觸角為0°的多尺度PAN/ZnO纖維。

c）無論ZnO呈六棱柱狀、片狀、還是塊狀，只要其能垂直均勻地生長在纖維表層，增加了纖維表面的粗糙度，所構(gòu)成的復合纖維都可以表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性能。

d）多尺度結(jié)構(gòu)親水性PAN/ZnO纖維的成功制備，表明在纖維表面構(gòu)筑符合Wenzel模型的粗糙結(jié)構(gòu)，有助于纖維及其織物的親疏水功能性整理。

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Preparation of multi-scale PAN/ZnO hydrophilic fibers and their infiltration mechanism

WEI Qicheng， WANG Jieqiong， LIN Wanli， TIAN Wei， LI Ya

（College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： "With the continuous advancement of science and technology and the continuous improvement of people's living standards， product differentiation is the general trend of market development， and people's demand for functional fibers and fabrics has greatly increased. At present， electrospinning technology has been greatly developed， and the process parameters are easy to control. The preparation of electrospun hydrophilic and hydrophobic micro-nanofibers continues to become increasingly mature. The hydrothermally grown zinc oxide （ZnO） has excellent performance， low preparation cost and can be used for large-scale preparation， and the morphology of the grown ZnO can be regulated. By combining electrospinning technology and hydrothermal growth method， a unique micro-nano structure is constructed on the polyacrylonitrile （PAN）-based composite fibers， which is expected to improve the hydrophilicity of the fibers.

To construct multi-scale hydrophilic PAN/ZnO fibers， firstly， the electrospinning technology was used to maintain the mass ratio of PAN to zinc acetate （Zn（AC）₂） in the spinning solution at 6∶1， the spinning voltage at 20 kV， and the spinning distance at 15 cm. The PAN/Zn（AC）₂ composite fibers with uniform and smooth diameter distribution were prepared. Then， the fibers were heat-treated， and different morphologies of sub-micron ZnO structures were vertically grown on the fibers by low-temperature hydrothermal reaction， so that the morphologies of ZnO was diversified and greatly different from the fiber diameter， forming multi-scale PAN/ZnO fibers with excellent hydrophilicity. X-ray diffractometer （XRD）， Fourier transform infrared spectrometer（FTIR） and JY-82B video contact angle measuring equipment were used to analyze and test the crystal structure， surface functional groups and water contact angle of the fiber membrane， respectively. The results show that the multi-scale PAN/ZnO fibers can exhibit excellent hydrophilic properties as long as they can grow vertically and evenly on the surface of the fiber to increase the fiber surface roughness， no matter whether the hydrothermally grown ZnO is hexagonal prism， flake， or block. The successful preparation of multi-scale hydrophilic fibers shows that the construction of a rough structure conforming to the Wenzel model on the fiber surface has guiding significance for the hydrophilic and hydrophobic functional finishing of fibers and the corresponding fabrics.

The multi-scale structure hydrophilic fiber successfully prepared in this study provides a high guiding role for the preparation of functional fabrics. If it is applied to the functional finishing of fabrics， it is expected to have broad market prospects.

Keywords： micro-nano structure; multi-scale; electrospinnig; ZnO