如何优化纳米纤维质量的环境参数？

图2-22　当转速为4000 r/min，喷嘴直径为0.4 mm时，将14%聚丙烯腈纺丝溶液在不同收集距离制备的聚丙烯腈纳米纤维的直径分布

在高速离心纺丝过程中，影响纳米纤维质量的环境参数主要有三个，分别为纺丝温度、纺丝湿度以及纺丝气流。在溶液离心纺丝中，纺丝温度通常为室温，常不考虑纺丝温度对纳米纤维的影响。而对于熔融高速离心纺丝而言，由于其纺丝原料需要进行不同程度的加热处理，并且处于高温状态下的纺丝射流需要快速拉伸冷却，对外部环境的要求也相对较高，因此纺丝温度对纳米纤维的影响主要体现在熔融纺丝中。纺丝湿度主要用于控制高速离心纺丝过程中的溶剂挥发速率，纺丝湿度越高，溶剂挥发速率也就越慢，而此时纺丝射流处于液态的时间也就相对延长，这有利于纺丝射流的充分拉伸，但是若纺丝湿度过高，则会导致纺丝射流无法完全固化，此时制备的纳米纤维将黏结在一起形成纤维薄膜。纺丝气流主要有两个用途，一是加快熔融纺丝中纺丝射流的冷却速率，二是辅助纤维拉伸，提高纤维表面质量。

Zander采用熔融离心纺丝法制备纳米至微米级的PCL纤维。在熔融温度为100～250℃的范围内，研究温度对PCL纳米纤维形成和质量的影响。虽然实验所用的PCL的熔融温度约为60℃，但由于PCL黏度较高，在低于200℃时，仅有少量纤维形成。温度低于120℃时，必须在转速极高的情况下才能制备出极少量纤维。如图2-23（a）与表2-4所示，纤维形态扭曲，直径分布较大。如图2-23（c）所示，熔体加热至200℃时，纤维明显增多，纤维的直径和形态也更均匀，珠状纤维减少，纤维直径也减小，这很可能是由于熔体在较高温度下黏度较低所致。进一步提高纺丝温度并没有改善纤维质量或降低纤维直径。相反，纤维含有更多的珠粒，直径更大，纤维直径尺寸分布更大。此外，纤维的完整性明显下降，这可能是由于聚合物在较高的温度下降解导致的。

表2-4　熔融纺聚己内酯纤维的纤维直径与纺丝温度有关

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续表

图2-23　转速为14000 r/min，收集距离为14 cm时，在不同温度下制备的聚己内酯纤维的扫描电子显微照片

在高速离心纺丝法制备纳米纤维的过程中，涉及流体力学、运动学等方面的知识，射流纤维在多个力的共同作用下完成各个射流阶段，才能制备出良好的纤维。因此研究高速离心纺丝法的原理、分析高速离心纺丝法的各个阶段、研究各个影响因素对制备纳米纤维的影响，是必须得到解决的问题。