CN101724917B - 一种聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分子静电纺丝液的制备，特别涉及一种聚乙烯醇静电纺丝液的制备方法。本发明聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法，即对现有用于静电纺的聚乙烯醇溶液进行复合、膨化的工艺处理。膨化状态的聚乙烯醇静电纺丝液的制备方法有效的将聚乙烯醇静电纺丝液的粘性体转化为膨化体，消除了未膨化的纺丝液在具有喷嘴的静电纺设备上纺丝时，纺丝液粘度对电纺性的影响，而使膨化体纺丝液中泡泡的大小和泡泡的均匀性成为纺丝液电纺性的影响因素。本发明的聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法简单、操作方便、成本低廉，而经过复合和膨化处理后的聚乙烯醇静电纺丝液在具有纺丝喷嘴的静电纺丝设备上实现泡泡纺。

Description

一种聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝液制备方法，属于静电纺丝技术领域。

背景技术

聚乙烯醇(PVA)在常温下化学性能稳定，且具有优良的物理力学性能及加工性能。随着人们对纳米材料研究的进一步深入，以静电纺技术制备的聚乙烯醇纳米纤维已应用于过虑材料、生物医学工程材料领域。如何改善纺丝液和纺丝工艺以保证静电纺丝的连续进行及获得直径更细、直径分布更窄的纺丝纤维是目前研究的热点。传统的具有喷嘴的静电纺技术对纺丝液有较高的要求，特别是纺丝液的粘度对静电纺丝纤维的直径的大小及纺丝能否顺利进行有关键的影响，另一方面，传统静电纺中需要纺丝喷嘴，由于喷嘴的口径很小(直径0.4mm-0.8mm)，在纺丝过程中由于溶剂的挥发极易堵塞，而无法实现连续纺丝。同时传统的具有喷嘴的静电纺丝中纤维的直径与分布的控制也受到一定的技术限制。但传统的具有喷嘴的静电纺突出的优点在于对纤维接收方式、接收位置的控制。为克服传统的具有喷嘴的静电纺技术的不足，已经发展了多种静电纺方法，其中泡泡纺引起了较为广泛的关注，也从原理上克服了静电纺对纺丝液粘度的要求，同时不需要喷嘴，能获得更小直径的纺丝纤维。泡泡纺中影响纺丝液的可纺性和纺丝纤维直径的主要因素是纺丝液的表面张力。影响表面张力的大小的不是纺丝液的粘度而是泡泡的大小。泡泡越小，表面张力越小，只需要相对较低的电压就能实现静电纺，纤维的直径也具有更好的可控性。但泡泡纺也有其自身的缺点，液面上的泡泡在电场力的作用下实现纺丝，纺丝纤维自下而上的飞行到达收集板，较难以实现对纺丝纤维接收方式、接收位置的控制。传统的具有喷嘴的静电纺技术中使用的纺丝液的缺点是纺丝液的粘度、表面张力和导电率对静电纺丝纤维直径的大小及纺丝能否顺利进行有关键的影响，当粘度较高时，需要较高的静电纺电压才能实现纺丝。目前，能结合传统的具有喷嘴的静电纺与泡泡纺的优点，克服彼此的缺点，在传统的具有喷嘴的静电纺丝设备上实现泡泡纺的聚乙烯醇静电纺丝液还没有见到报道。

发明内容

本发明的目的在于克服具有纺丝喷嘴的静电纺丝技术中使用的纺丝液与无纺丝喷嘴的泡泡纺技术的不足，又能集中两种纺丝技术的优点，提供一种操作简单，能更好的控制纺丝直径，具有良好纺丝性能的新的聚乙烯醇静电纺丝液的制备方法。实现本发明的技术方案是：将聚乙烯醇溶解于溶剂中，在经过膨化处理，得到膨化状态的静电纺丝液。

本发明聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法，即对现有用于静电纺的聚乙烯醇溶液进行复合、膨化的工艺处理，包括如下步骤：

(1)将聚乙烯醇颗粒混合于蒸馏水中，于室温以0.5℃/min-2℃/min的速度加热到70℃-98℃，磁搅拌3-6小时使其充分溶解，获得浓度为5wt％-15wt％的均匀的聚乙烯醇溶液；

(2)将上述所获得的聚乙烯醇溶液在室温环境中自然冷却到15℃-25℃，再添加溶液质量3wt％-20wt％的碳酸氢氨搅拌使其溶解，获得含有3wt％-20wt％的碳酸氢氨的复合聚乙烯醇溶液；

(3)将(2)步骤中获得的复合聚乙烯醇溶液置于30℃-60℃的水浴中，采用1000转/min-4000转/min的机械搅拌处理30min-120min对复合聚乙烯醇溶液进行膨化处理，获得体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的2-6倍的均匀膨化聚乙烯醇纺丝液。

所述获得均匀的膨化聚乙烯醇纺丝液的体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的2-6倍。

由于采用以上技术方案，本发明膨化状态的聚乙烯醇静电纺丝液的制备方法有效的将聚乙烯醇静电纺丝液的粘性体转化为膨化体，消除了未膨化的纺丝液在具有喷嘴的静电纺设备上纺丝时，纺丝液粘度对电纺性的影响，而使膨化体纺丝液中泡泡的大小和泡泡的均匀性成为纺丝液电纺性的影响因素。

以本发明的静电纺丝液制备方法制备的膨化聚乙烯醇静电纺丝液，纺丝液中泡泡的大小和泡泡大小的均匀性具有良好的可控性。膨化剂碳酸氢氨的引入不会对静电纺纤维产生任何污染。膨化聚乙烯醇纺丝液在具有喷嘴的静电纺设备上实现了泡泡纺，消除了对聚乙烯醇纺丝液粘度的要求，提高了对聚乙烯醇静电纺纤维直径的大小及分布的可控性，可纺出更小直径的聚乙烯醇纤维。保留了具有喷嘴的静电纺中纺丝纤维接收方式、接收位置的可控特性，同时消除了静电纺过程中喷头堵塞现象。本发明的聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法简单、操作方便、成本低廉，而经过复合和膨化处理后的聚乙烯醇静电纺丝液在具有纺丝喷嘴的静电纺丝设备上实现泡泡纺。

附图说明

图1为实施例一方案制备的聚乙烯醇静电纺丝液溶液用于静电纺获得的聚乙烯醇纤维的扫描电镜图；

图2为实施例二方案制备的聚乙烯醇静电纺丝液溶液用于静电纺获得的聚乙烯醇纤维的扫描电镜图；

图3为实施例三方案制备的聚乙烯醇静电纺丝液溶液用于静电纺获得的聚乙烯醇纤维的扫描电镜图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述

实施例一

在本实施例中配制低浓度、低膨化率的纺丝液。具体加工步骤如下：

(1)将平均分子量为8000的聚乙烯醇颗粒混合于蒸馏水中，于室温2℃/min缓慢加热到98℃，搅拌3小时使其充分溶解，获得浓度为5wt％的均匀的聚乙烯醇溶液；

(2)将步骤(2)中获得的复合聚乙烯醇溶液在室温环境中自然冷却到20℃，再添加溶液质量3wt％的碳酸氢氨搅拌使其溶解，获得含有3wt％的碳酸氢氨的复合聚乙烯醇溶液；

(3)将(2)步骤中获得的复合聚乙烯醇溶液置于30℃的水浴中，采用2000转/min的机械搅拌处理120min对复合聚乙烯醇溶液进行膨化处理，获得体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的2倍的均匀膨化聚乙烯醇纺丝液。

将获得的经复合和膨化处理的聚乙烯醇纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/小时，高压电源的输出电压为20kV，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，静电纺丝过程稳定，没有喷丝头堵塞现象发生，收集屏上有白色的聚乙烯醇纤维膜形成。在接收屏上收集到的聚乙烯醇(PVA)纤维的直径为100nm，如图1，本实例中聚乙烯醇溶液的浓度为5wt％，浓度低，粘度小，加入的碳酸氢氨的比例为3wt％，水浴温度较低，30℃，碳酸氢氨分解放出气体速度较慢，所以获得的膨化体泡泡较小，泡泡的膜较薄，泡泡的表面张力也较小，静电场需要克服的表面张力也较小，组成泡泡的膜获得了较大的牵伸，所以获得的静电纺纤维直径较小，达到100nm。

实施例二

在本实施例中配制较高浓度和较高膨化率的纺丝液。具体加工步骤如下：

(1)将平均分子量为8000的聚乙烯醇颗粒混合于水中，于室温1.5℃/min缓慢加热到98℃，搅拌5小时使其充分溶解，获得浓度为10wt％的无色透明的聚乙烯醇溶液；

(2)将步骤(1)中获得的聚乙烯醇溶液在室温环境中自然冷却到25℃，再添加溶液质量15wt％的碳酸氢氨搅拌使其溶解；获得含有15wt％的碳酸氢氨的复合聚乙烯醇溶液；

(3)将步骤(2)中获得的溶液于45℃的恒温水浴中3000转/min的机械搅拌60min，实现纺丝液的膨化处理，获得体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的4倍的均匀膨化聚乙烯醇纺丝液。

将获得的经复合和膨化处理的聚乙烯醇纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/小时，高压电源的输出电压为20kV，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，静电纺丝过程稳定，没有喷丝头堵塞现象发生，收集屏上有白色的聚乙烯醇纤维膜形成，在接收屏上收集到的聚乙烯醇(PVA)纤维的直径为300nm。如图2。本实例中聚乙烯醇溶液的浓度为10wt％，浓度较高，粘度较大，加入的碳酸氢氨的比例为15％，水浴温度45℃，碳酸氢氨分解放出气体速度较快，所以获得的膨化体泡泡较大，泡泡的膜较厚，泡泡的表面张力也增大，静电场需要克服的表面张力也较大，组成泡泡的膜获得了较小的牵伸，所以获得的静电纺聚乙烯醇纤维直径较大，达到300nm。

实施例三

在本实施例中配制高浓度、高膨化率的纺丝液。具体加工步骤如下：

(1)将平均分子量为8000的聚乙烯醇颗粒混合于水中，于室温0.5℃/min缓慢加热到98℃，搅拌6小时使其充分溶解，获得浓度为15％的无色透明的聚乙烯醇溶液；

(2)在步骤(1)中获得的聚乙烯醇溶液在室温环境中自然冷却到15℃，再添加溶液质量20wt％的碳酸氢氨搅拌使其溶解；获得含有20wt％的碳酸氢氨的复合聚乙烯醇溶液；

(3)将步骤(2)中获得的溶液于60℃的恒温水浴中4000转/min的机械搅拌30min，实现纺丝液的膨化处理，获得体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的6倍的均匀膨化聚乙烯醇纺丝液。

将获得的经复合和膨化处理的聚乙烯醇纺丝液吸入静电纺用注射器桶内，纺丝温度为室温，纺丝液输出流量为0.5ml/小时，高压电源的输出电压为20kV，接收屏到喷丝头之间的距离为10cm，静电纺丝过程稳定，没有喷丝头堵塞现象发生，收集屏上有白色的聚乙烯醇纤维膜形成，在接收屏上收集到的聚乙烯醇(PVA)纤维的直径为200nm，如图3。本实例中聚乙烯醇溶液的浓度为15wt％，浓度较高，粘度较大，加入的碳酸氢氨的比例高，为20wt％，水浴温度60℃，碳酸氢氨分解放出气体速度快，分解产生的气体量大，相应的采取了高速机械搅拌，原高粘度的聚乙烯醇溶液得到了有效的膨化，膨化体中泡泡较小，泡泡的膜较薄，泡泡的表面张力较小，静电场需要克服的表面张力也小，组成泡泡的膜获得了较大的牵伸，获得的静电纺聚乙烯醇纤维直径较小，达到200nm。

综上三个实施例，制备膨化的静电纺丝液中，聚乙烯醇纺丝液的浓度，膨化剂碳酸氢氨的加入量，水浴温度，搅拌速度及时间都对所获得的膨化静电纺丝液的静电纺纤维直径的大小有影响。通过比较实施例的结果，如果需要获得更小直径的聚乙烯醇纤维，实施例一的制备方法所生产的纺丝液为最佳方案。

Claims (2)

1.一种聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法，包括将聚乙烯醇颗粒混合于蒸馏水中，于室温以0.5℃/min-2℃/min的速度加热到70℃-98℃，磁搅拌3-6小时使其充分溶解，获得浓度为5wt％-15wt％的均匀的聚乙烯醇溶液，其特征在于：将上述所获得的聚乙烯醇溶液再按以下步骤处理：

(1)将上述所获得的聚乙烯醇溶液在室温环境中自然冷却到15℃-25℃，再添加溶液质量3wt％-20wt％的碳酸氢氨搅拌使其溶解，获得含有3wt％-20wt％的碳酸氢氨的复合聚乙烯醇溶液；

(2)将(1)步骤中获得的复合聚乙烯醇溶液置于30℃-60℃的水浴中，采用1000转/min-4000转/min的机械搅拌处理30min-120min对复合聚乙烯醇溶液进行膨化处理，获得均匀的膨化聚乙烯醇纺丝液。

2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯醇静电纺丝溶液的制备方法，其特征在于：所述获得均匀的膨化聚乙烯醇纺丝液的体积为膨化前聚乙烯醇纺丝液体积的2-6倍。

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