Vol. 31, No. 3Sept. 2019
第31卷第3期
2019年9月河南工程学院学报(自然科学版)
JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING PAN 纳米纤维复合纱线的制备及性能分析
王西贤，王明震，张志华，贾琳
(河南工程学院纺织学院，河南郑州450007)
摘要：以聚合物聚丙烯睛(PAN)为原料、涤纶长丝为芯纱，采用改进的静电纺丝技术成功制备了不同浓度的PAN 纳米 纤维复合纱线，并利用扫描电子显微镜(SEM)、电子单纱强力仪等对纳米复合纱线的微观形态和拉伸性能等进行了测试表 征。结果表明：PAN 溶液的浓度对纳米纤维直径和复合纱线的性能有很大影响，纳米纤维的直径随着PAN 溶液浓度的增加而 增加，当聚合物PAN 溶液浓度为0. 12 g/mL 时，包覆在涤纶长丝表面的纤维均匀度最好，断裂强力达到最大值32& 20 cN/tex, 拉伸长度为75.69 mm，芯吸高度升到最高值7. 7 cm，复合纱线的回潮率达到1.98% …
关键词：静电纺丝；聚丙烯睛纳米纤维；回潮率；断裂强力
寿筵
中图分类号:TS102 文献标志码:A 文章编号：1674 - 330X(2019)03 - 0005 - 04Preparation and property study of PAN nano-scale fiber composite yarn
WANG Xixian, WANG Mingzhen, ZHANG Zhihua, JIA Lin
{College, of Textiles, Henan University of Engineering, Zhengzhou 450007, China')
Abstract ： Polyacrjdonitrile (PAN) and polyester filament yams were clioon as raw materials to prepare PAN nanofibrous yarns with different PAN concentrations tlirougli modified electrospinning teclinology. Tlie morphologies and tensile perfonnance of nanofi brous composite yams were carried out using scanning electron microscopy (SEM) and electronic yam strength tester. The results showed that the concentration of PAN solution had a great effect on the fiber diameter and performance of composite yams. The fiber di ameter of PAN nanofibers incread with the increa of PAN concentration. Wlien tlie concentration of PAN solution was 0. 12 g/mL, tlie nanofibers coated on tlie polyester filament yams possd tlie best uniformity. At tlie same time, tlie strength at break of compos ite yams reached the maximum value of 328. 20 cN/tex, and the tensile length was 75. 69 mm, tlie wicking height reached the maxi mum value of 7. 7 cm, and tlie moisture regain of composite yam also reached 1.98% .
Keywords ： electrostatic spinning ； polyaciylonitrile nanofibers ； moisture regain ； strengtli at break
随着社会的不断进步，人们对纺织品的要求也越来越高，纺织品的智能化与功能化受到很多发达国家 的重视，纺织界专家更是预言智能纺织品将是纺织品耒来发展的重要方向之一「2〕。然而，使用传统的静电 纺丝技术制备的纳米纤维还存在可控性差、机械性能差、取向排列差等缺点，严重限制了其在纺织品领域的 应用。为了拓宽静电纺纳米纤维材料在纺织领域的应用范围，国内外很多研究人员利用静电纺丝技术制备 了纳米纤维纱线或复合纱线，不仅保留了纳米纤维高比表面积、高孔隙率等优异特性，同时还解决了纳米纤 维机械性能差的问题，已有研究学者应用到传统纺织的结构组织当中设计山了不同类型、具有三维纳 米材料结构的面料，提高了纺织品的产品附加值。
Mooneghi 等已利用静电纺丝技术和纺织技术的有效结合，制备了性能与天然肌腱相似的支架结构。刘 倩倩等旳利用聚己内酯(PCL)纳米纤维和聚乳酸(PLA)微米长丝制备了平纹织物小样，研究发现平纹织物 有更大的孔径结构和更好的拉伸性能，在组织工程领域有更好的应用前景。陈文□等⑴通过气相原位聚合 法制备了聚内烯睛/聚苯胺(PAN/PANI)复合纳米纤维纱线，研究表明，在氧化剂浓度为0. 375 mol/L 、聚合 时间为5 h 、盐酸浓度为1 mol/L 的条件下，所得到的复合纳米纤维纱线电导率最大可达到
收稿日期：2019 -03 -21
人为灾害
基金项目：河南省高校重点科研项目(15A540001,19A540002)；河南省重点科技攻关项目(172102310364)；河南工程学院博士基金 (D2014025)；中国纺织工业联合会科技指导性项目(2018057)
作者简介：王西贤(1982—)，男，河南安阳人，助教，主要研究方向为功能性纳米纤维纺织品.
•6•河南工程学院学报（自然科学版）2019年
（3.15±0.19）S/m，拉伸强度达到（30.30±5.66）MPa。本研究选择聚合物聚丙烯睛（PAN）和涤纶长丝制备PAN纳米纤维复合纱线。因为聚丙烯腊（PAN）纤维是一种合成纤维，具有柔软、膨松、色泽鲜艳、耐光、抗菌等优点，俗称合成羊毛，是纳米纤维当中较常见的纤维，芯纱选择具有机械强度高、弹性好、耐磨性好等优良特点的涤纶纤维。利用静电纺丝技术制备的PAN纳米纤维复合纱线不仅有涤纶长丝良好的机械拉伸性能，还兼具纳米纤维的尺寸效应、表面与界面效应等优点，可经过加工后应用到纺织品当中，对进一步扩大纳米纤维纱线在纺织领域的应用范围并制备山功能性纳米纤维织物具有非常重耍的意义。
1实验部分
1.1实验设备和材料
阿楚姑娘歌词
实验设备：101A-3E型电热鼓风干燥箱,YG871型毛细管效应测定仪.HDO21NS型电子单纱强力仪, FEI Quanta250型扫描电子显微镜，静电纺纳米纤维纺纱机；实验材料：聚丙烯腊（PAN，分析纯，广州市伟达精细材料有限公司，平均分子量为85000）,N,N-：甲基甲酰胺（DMF，分析纯，天津市盛奥化学试剂有限公司），涤纶长丝（83.3dtex，杭州临港化纤有限公司）。
1.2实验方法
1.2.1PAN纳米纤维复合纱线制备
以DMF为溶剂，分别配制PAN质量浓度为0.08g/mL、0.10g/mL、0.12g/mL、0.14g/mL、0.16g/mL 的纺丝溶液，常温条件下放在84-1A型磁力搅拌器上，设定600r/min的转速，搅拌24h，静置消泡后待用。
采用由东华大学研制的静电纺纳米纤维纺纱机纺制不同浓度的PAN纳米纤维复合纱线。该设备参数设置如下：正、负极电压分别为8.6kV和&9kV，正、负极进液速率分别为0.8mL/h和1.0mL/h，纺丝距离为14cm，导纱距离为8cm，卷绕电机的转速设为12r/min，金属圆形转盘转速为317r/min。
1.2.2PAN纳米纤维复合纱线形貌表征
分别对涤纶和不同浓度的PAN纳米纤维复合纱线喷金后用导电胶固定在打描电镜上观察其微观结构，
并利用Image J软件在不同位置随机抽取100根纳米纤维，测试其盲径并求取平均值。
1.2.3PAN纳米纤维复合纱线拉伸性能测试
木次拉伸实验用的仪器是HDO21NS型电子单纱强力仪，操作方法参照GB/T3916—2013《纺织品卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE法）》⑷。参数设置如下：拉伸方式为定速拉伸，上、下加持器之间的距离设为500mm，拉伸速度为500mm/min，预加张力为4.20cN，纱线线密度为&33tex。
1.2.4PAN纳米纤维复合纱线芯吸性能测试
利用YG871型毛细管效应测定仪进行测试，剪取涤纶长丝和不同浓度的PAN纳米纤维复合纱线各25cm,—端固定在横梁架上，另一端固定在张力夹上，自然垂直放置，下端浸没在重钻酸钾溶液当中，30min后读取芯吸高度数值。
1.2.5PAN纳米纤维复合纱线回潮率测试
采用烘箱法，称取一定质量的涤纶长丝和不同浓度的PAN纳米纤维复合纱线试样，把试样放入101A-3E型电热鼓风于燥箱中，设置烘箱温度为105烘十时间为1h，称其烘后质量，然后再计算其冋潮率。
2结果与分析
2.1PAN纳米纤维复合纱线形貌表征
首先将涤纶长丝放大800倍，可以清楚地看到涤纶纤维有近乎完美的取向，表面圆滑。把PAN纳米纤维复合纱线放大100倍（见图1）观察复合纱线的整体形态，图2是纳米纤维复合纱线放到大5000倍时的形态。结合两个图看出PAN纳米纤维包覆在涤纶长丝表面，随着溶液浓度的增加，纳米纤维对涤纶长丝的包覆率提升。当溶液PAN质量浓度为0.12g/ml时,PAN纳米纤维复合纱线表面更光滑，纤维取向度、整齐度最高，但在溶液浓度为14%和16%时粘连现象越来越严重。这是因为溶液的浓度增加，黏滞阻力增大，在电斥保持不变的情况下，喷射流来不及完全拉伸，溶剂来不及完全挥发就喷射到涤纶长丝表面，使纤维粘连现象逐渐严重。测试不同质量浓度（0.08-0.16g/mL）PAN纳米纤维复合纱线的直径，求取的平均值分别为
第3期王西贤，等:PAN 纳米纤维复合纱线的制备及性能分析• 7 •115.99 nm.189.38 nm 、366. 17 nm 、399.00 nm 、735.80 nm 。可以看tB ，随着溶液浓度的增加，包缠在涤纶长丝上的纳米纤维宜径越来越大，这是因为溶液浓度的增加使射流抽拉的阻力增大，导致纳米纤维直径增加(a > 涤纶长丝 (h ) 0.08 g /rnL ( c ) 0.10 g/mL (. d ) D/12g/mL ( e ) 0.14g/mL (. f ) 0.16 g/mL
试用期协议图1涤纶长丝和不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线的扫描电镜图(100倍)简历自我评价
Fig. 1 Scanning electron micrograph of polyester filament and PAN nanofiber composite yams
with different concentrations (100 times)
八月桂花香
(a ) O.OSg/inL C b )QdOg/mL (c) 0J2g/raL (d) 0.14 g/mL (e) OJfig/mL
图2不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线的扌=1描电镜图(5 000倍)
Fig. 2 Scanning electron micrograph of PAN nanofiber composite yams with different concentrations (5 000 times)
2.2 PAN 纳米纤维复合纱线的拉伸性能测试
为了研究PAN 纳米纤维复合纱线的拉伸性能，对涤纶长丝和不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线进行 了断裂强力、断裂强度、伸长率、伸长值等的测试，结果如表1所示。
表1涤纶长丝和不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线拉伸性能的测试结果
Tab. 1 Test results of tensile properties of polyester filament and PAN nanofiber composite yams with different concentrations
断裂强力
断裂强度 断裂仲艮率 断裂功纱线
平均值/cN 变异系数/%仲心平均 值/ m m 平均值/ (cN • tex -1变异系数/) %平均值/%变异系数/%平均值/变异系数/ mJ %涤纶长丝
270.40 3.38100.1732.45 3.3820.0219.43175.4323.08P (PAN) =0.08 g/mL
274.40 3.86107.2532.93 3.8521.4312.45188.4619. 19P (PAN) =0. 10 g/mL
319.95 5.7880.8838.40 5.7816.1613.49161.5221.52P (PAN) =0.12 g/mL
328.208.4175.6939.398.4015.1211.83147.1919.68P (PAN) =0.14 g/mL
272.60 3. 16112.8432.72 3.1422.5510. 68197.8815.95P (PAN) =0.16 g/mL 282.90 4.79114.3833.95 4.7722.8512.60212.4819.79
由表1可知，涤纶长丝的断裂强力为270. 40 cN，而不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线的断裂强力为 272.60 -328.20 cN,PAN 纳米纤维复合纱线的断裂强力比涤纶长丝大，在溶液浓度为12%时断裂强力达到 最高，这说明PAN 纳米纤维提高了涤纶长丝的断裂强力。这是因为纤维的机械性能会影响纱线的力学性 能，纤维包缠的过程类似一个加捻的过程，使纤维间的抱合力增大，从而使得纱线的断裂强力变大。当溶液 浓度变大时，纺到涤纶长丝上的纳米纤维也会随之变多，纤维变多使得纤维间抱合力变大，纱线径向强力也 随之增大。但当溶液浓度达到0.14 g/mL 和0.16 g/mL 时,PAN 纳米纤维纱线的断裂强度比0. 12 g/mL 时 要低，这是因为随着浓度的增加，纳米纤维直径变大，纤维间相互缠绕减少导致抱合力下降，使得纱线的断 裂强力有所下降。当溶液浓度为0.12 g/mL 时，断裂伸长率为15. 12% ,#长平均值为75.69 mm，在测量的 溶液浓度范围内降到最低值，这是因为在溶液浓度为0.12 g/mL 时，包覆在涤纶长丝表面的PAN 纳米纤维 更均匀、取向度更好、断裂强度最大，伸长值和断裂伸长率最小。
2.3 PAN 纳米纤维复合纱线的芯吸性能测试
芯吸效应是超细纤维特有的性能，也是影响织物性能的重耍因素之一，纤维孔隙越小，芯吸性能越好， 纱线的芯吸透湿效应愈强。根据试验数据绘制出涤纶长丝和不同浓度PAN 纳米纤维复合纱线的芯吸高度， 如图3所示
。
• 8 •河南工程学院学报（自然科学版J 2019 年从图3可以看山，涤纶长丝的芯吸高度为6.3 cm，而不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线的芯吸高度都 比涤纶长丝高，这是因为纱线表面包缠着PAN 纳米纤维，而纳米纤维孔隙率高、比表面积大的特性，使PAN 纳米纤维复合纱线的芯吸高度高。芯吸高度随着溶液浓度的增加先增高后有所降低，在溶液浓度为 0.12 g/mL 时达到最大。这是因为随着溶液浓度的增加，涤纶长丝表面包缠的纳米纤维逐渐增多，但随着 PAN 纳米纤维直径的逐渐变大，粗宜径的孔隙率耍比细宜径的孔隙率低，而且PAN 纳米纤维的比表面积也 会变小，再加上越来越严重的粘连，从而使芯吸高度逐渐变小。
2.4 PAN 纳米纤维复合纱线的回潮率测试
回潮率也是纺织材料必不可少的一个参数，过高或过低的回潮率对成纱都有很大的影响。PAN 纳米纤维复合纱线的回潮率如图4所示。
CAN 质壘加度馄j
-—丸
7,>n 008a io nd20,14
图3涤纶长丝和不同浓度PAN 纳米纤维 复合纱线的芯吸高度
Fig. 3 The core suction height of polyester filament and PAN nanofiber composite yams with different concentrations 图4涤纶长丝和不同浓度PAN 纳米纤维
复合纱线的冋潮率Fig. 4 Moisture regain of polyester filament and PAN nanofiber composite yams with different concentrations 根据图4可以得知，涤纶长丝的回潮率为0.73% ，而不同浓度的PAN 纳米纤维复合纱线的回潮率均大于涤纶长丝，为1.24% ~ 1.98% o 这主要是因为涤纶长丝木身的亲水性聾，造成纱线回潮率低，而PAN 纳米纤维复合纱线是因为纳米纤维的直径小、孔隙率高，其芯吸效应的作用使得回潮率比涤纶长丝要高。再加上聚合物PAN 分子链上带有亲水性基团,PAN 纳米纤维的亲水性相对较好，所以PAN 纳米复合纱线的回潮率比涤纶长 丝高。但随着浓度PAN 的增加，纤维的直径变大，纤维粘连纠缠的趋势也增加，纱线内的孔隙率降低，芯吸效应 有所减少，使得冋潮率在溶液浓度为0.12 g/mL 时达到峰值,Z 后随着溶液浓度的增加而逐渐降低。3结论
利用涤纶长丝和PAN 纳米纤维制备了不同浓度的纳米纤维复合纱线。在所测溶液的浓度范围内，纳米 纤维的直径随着PAN 溶液浓度的增加而增加，在聚合物PAN 溶液质量浓度为0. 12 g/mL 时包覆在涤纶长 丝表面的纤维均匀度最好;PAN 纳米纤维包缠在涤纶长丝表面，使PAN 纳米复合纱线具备了更高的拉伸强 力，断裂强力达到最大的32& 20 cN/tex，断裂伸长率达到15. 12%，伸长平均值为75.69 mm ；复合纱线拥有 了更好的芯吸高度，最高达到7.7 cm ；复合纱线的回潮率也更为合理，最高达到1.98%o 参考文献：
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