静电纺丝制备多孔硝化棉纤维(3)

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图1-1 静电纺丝技术原理示意图

静电纺丝的装置一般由高压发生电源，毛细管，接收板这三部分组成，正极接在喷丝头处，另一极接到接收板上，很多种情况下，接收板那一端是接地。溶液在其本身表面张力的作用下，喷丝头处的液滴会是凸出的半球状。随着高压电场强度的增强，原本半球状的液滴被拉长，半球状液滴形成锥形，这个锥形就是泰勒锥(Taylor锥)。继续增加电场强度，当液体表面的电荷斥力超过溶液表面张力时，就会在喷丝口末端液滴的泰勒锥表面高速喷射出聚合物射流。带电的聚合物溶液射流就会被拉伸、变细或者劈裂成更细的射流，带电射流经历了一个不稳定和拉伸过程后，最终沉积固化，在接收板上形成聚合物纳米纤维。

1.4 多孔纳米材料制备的研究和发展

多孔材料是20世纪新兴的材料体系，国际纯粹和应用化学联合会是将多孔材料按孔径分为以下几类:多孔孔径小于2nm的微孔材料，多孔孔径在2-5nm的介孔材料，多孔孔径大于50nm的大孔材料[[4]。多孔材料具有高孔隙率、高吸附、高表面活性、高比表积等特性，可用于过滤材料、分离膜、阻隔材料和生物医用材料等，在环境科学、生物医药、能源、化学工程和国防等方面显示出了巨大的应用前景。多孔材料的制备方法大致有相转变法、溶胶一凝胶法、沉淀法和水热合成法等，但目前应用比较广泛的是溶胶一凝胶法和水热合成法。

1.5 课题研究内容

由于静电纺多孔结构纳米纤维具有较高的比表面积、高吸附等特性，而且多孔硝化棉纤维具有能量释放速率快、燃烧( 能量转化) 效率高、能量释放的高度可调和敏感性低，力学性能增强等优势，因此如何制备出可控的多孔结构纳米纤维将会很大程度的推动纳米纤维在许多领域的应用。所以我们着眼于多孔结构纳米纤维的优异性能及其应用的广泛性，研究如何采用静电纺丝技术制备可控的多孔结构纳米纤维，利用聚合物不同的溶剂体系、工艺参数控制以及不同聚合物共混等制备出具有微纳米级且具有多孔结构的纤维。

2. 硝化棉纤维的制备工艺

2.1 引言

制备硝化棉有溶胶—凝胶法，溶剂—非溶剂法（重结晶法）等，由于以上方法缺目前所使用的成本比较昂贵，部分有机原料对人身体有害；而且实验周期长，设备要求高，在含能材料应用中并不成熟的原因，最终采用静电纺丝法制备硝化棉纤维。

2.2 实验

2.2.1确定溶剂体系

对于高分子材料，一般采用溶液静电纺丝法，即选用合适溶剂将高分子材料溶解作为纺丝液。因此，溶剂性质对静电纺丝过程影响很大。一般来讲，用于制备静电纺丝液的溶剂必须满足以下要求: 对高分子材料有良好的溶解性、合适的介电常数、合适的挥发性 ( 沸点)

溶剂介电常数太高，则溶剂极性太大( 如水) ，在纺丝过程中容易形成电流导通而发生危险; 而介电常数太小，则溶液不易被极化，纺丝液所带的净电荷减少，纤维成形能力减弱。溶剂沸点太低时，溶剂挥发太快，则喷射口处液滴固化较快，容易造成喷丝口堵塞; 而溶剂沸点太高时，溶剂挥发太慢，纤维之间容易形成粘连。基于以上因素，我们首先在硝化棉的良溶剂中选择丙酮( 介电常数20.7，沸点56 ℃ ) 作为单一溶剂制备NC静电纺丝液。

通过实验发现，以丙酮作为单一溶剂时，N C 的可纺浓度范围不大，为 6 %-8 % ( 质量百分数，下同) ，且成丝直径较粗，分布不均匀。这是由于丙酮沸点偏低，挥发性很好，使得纺丝液虽然在较低浓度 ( 6 % ) 下即可成丝，但浓度达到 8 % 以上时，即由于纺丝液固化太快而容易使喷丝口发生堵塞。同时，由于可纺浓度不高，纺丝液粘度较低，使得从 Taylor 锥尖喷射出的带电射流量较大，造成纺丝直径偏大。如图2为浓度为 8 % 时，得到的 NC 纤维SEM 图片。