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静电纺丝之您想知道系列—PA (聚酰胺/尼龙)
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静电纺丝之您想知道系列—PA (聚酰胺/尼龙)

  • 来源:原创
  • 浏览次数:
  • 日期:2021-01-27 15:26

【概要描述】本文介绍静电纺丝PA材料的性质、应用领域、制备流程、常见纺丝工艺问题及解决方法。

静电纺丝之您想知道系列—PA (聚酰胺/尼龙)

【概要描述】本文介绍静电纺丝PA材料的性质、应用领域、制备流程、常见纺丝工艺问题及解决方法。

  • 分类:工艺解决方案
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  • 发布时间:2021-01-27 15:26
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目录

1.PA材料的性质

2.静电纺PA的应用

3.静电纺PA流程

4.常见问题及解决方法

 

1.PA材料的性质

聚酰胺(英文:Polyamide,PA)是由含有羧基和氨基的单体通过酰胺键聚合成的高分子。它易溶于甲酸、乙酸、六氟异丙醇等溶剂。聚酰胺用作塑料时称尼龙,用作合成纤维时我们称为锦纶。聚酰胺可由二元胺和二元酸制取,也可以用ω-氨基酸或环内酰胺来合成。根据二元胺和二元酸或氨基酸中含有碳原子数的不同,可制得多种不同的聚酰胺,目前聚酰胺品种多达几十种,其中以PA-6、PA-66和PA-610的应用最广泛。PA-6、PA-66和PA-610的链节结构分别为[NH(CH2)5CO]、[NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO]和[NH(CH2)6NHCO(CH2)8CO]。PA-6和PA-66主要用于纺制合成纤维,称为锦纶-6和锦纶-66。PA-610则是一种力学性能优良的热塑性工程塑料。PA具有良好的综合性能,包括机械强度、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性、电绝缘性和自润滑性,且摩擦系数低,有一定的阻燃性,易于加工。

 图 1 PA-6结构式

 

2.静电纺PA的应用

(1)空气/水过滤:纤维空气过滤材料是由许多排列复杂的纤维搭建而成,传统的纤维空气过滤材料的孔径较大,即使是过滤性能较好的熔喷过滤材料的孔径也在十至几十微米,过滤细小颗粒的效果并不良好。PA具有良好的静电纺丝性能,静电纺PA纳米纤维通常直径可以做到80-200nm,属于静电纺丝材料中纤维比较细的,尤其是通过添加适量无机盐调节纺丝液电导率,可制备纳米纤维(80-200nm)/纳米蛛网(~20nm)复合纳米纤维(如图2所示)。这种极小的纤维直径赋予PA纳米纤维膜更小的孔径、更大的比表面积和吸附性能,使PA纳米纤维滤材在高精细过滤方面具有很大性能的优势。

图2 PA纳米蛛网SEM图

(2) 电池隔膜:在锂离子电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,对提高锂离子电池的综合性能具有重要作用。PA具有很好的热稳定性能和机械强度,且分子中的酰胺键具有较强的极性,与高极性的电解液有较强的亲和性。具有三维立体结构的PA静电纺纳米纤维隔膜具有孔隙率高、孔径分布均匀、结构可调性强等优点,可作为浸润性好、离子电导率高的锂离子电池隔膜,有望提升电池的充放电容量、倍率性能及循环性能。

图3 锂离子电池工作原理示意图

 

(3) 催化剂载体:目前,研究新型纳米催化剂材料是催化领域的研究重点,纳米材料由于具有独特的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等在催化领域具有重要应用,但是纳米催化剂粒子很容易团聚,严重影响了其应用范围,因此,负载型催化剂成为催化领域重要研究内容。静电纺丝技术是制备一维纳米纤维材料的一种重要方法,静电纺PA纳米蛛网可以作为载体实现纳米催化剂均匀的负载,另外利用静电纺PA纳米蛛网的大比表面积、易回收性还可以提高催化剂的催化活性和回收性能。催化剂负载方法有原位复合法、共沉淀法、水热-溶剂热法等。

图4 静电纺丝与水热(溶剂热)相结合制备的复合纳米纤维材料

 

(4) 高性能传感器材料:静电纺纳米纤维膜具有三维立体通孔结构,有利于目标检测物在纤维膜内部快速扩散,同时,PA纳米蛛网具有超高的比表面积且易于功能化改性,可为目标检测物的吸附及反应提供丰富的活性位点,从而大幅提升传感器的灵敏度、响应速度和检测极限。因此,静电纺PA纳米蛛网膜在高性能传感器领域有着巨大的应用前景。

图片 图5 基于尼龙6 纳米蛛网膜的比色法检测甲醛的示意图

 

3. 静电纺PA流程

3.1主要材料和仪器:

(1) 纺丝材料:PA6颗粒;88%甲酸,分析纯。

(2) 实验仪器:50mL锥形瓶、磁力搅拌器、电子天平、E05静电纺丝机。

(3) 防护用具:橡胶手套、护目镜、防毒面具。

 

3.2纺丝液配置

甲酸有强腐蚀性和刺激性气味,皮肤接触可引起炎症和溃疡,实验操作时需要穿戴适当橡胶手套、护目镜和防毒面具等防护用具,提高防护意识!

使用电子天平称取一定质量溶剂甲酸于锥形瓶中,加入磁力搅拌子,置于磁力搅拌器上搅拌;再称取一定质量的PA6,缓慢加入搅拌的锥形瓶中,盖紧瓶盖;连续搅拌溶解6h,颗粒溶解完全至溶液澄清透明,即可得到一定质量浓度的PA6纺丝液。需要在通风厨或通风性良好的实验室配置。

常见PA纺丝液质量浓度为8% -20% ; 溶剂体系为甲酸、六氟异丙醇、甲酸/六氟异丙醇(4:1)、甲酸/乙酸(4:1、1:2)、甲酸/二氯甲烷(1:1)和甲酸/DMF(6:1)。

 

3.3纺丝过程及参数:

将上述PA纺丝液抽到20mL注射器中,注射器固定到纺丝机注射泵上,装上20G (1/2 英寸,平口)不锈钢针头,针头接高压电源正极,接收辊筒接高压电源负极,辊筒上贴上接收基材;调整接收距离为15-20cm;设置注射器规格为20mL,供液速度1mL/h,辊筒转速300转/min,滑台行程20cm,纺丝电压正15kV,负5kV,温度35℃,湿度40%,定时120min。最后关闭设备门,开启排风,并保持室内通风。

常用静电纺接收基材:铝箔纸、离型纸、无纺布、筛网布等,铝箔纸导电性好接收效率高、离型纸易于揭膜、无纺布(筛网)可作为过滤应用的基材,可以根据具体的应用需求来选用。

4.常见纺丝问题及解决方法

(1) 扫描电镜下,纤维上串珠较多:一般是纺丝液的中PA浓度太低,导致纺丝液粘度不够,建议继续提高PA浓度。通常情况下,随着纺丝液浓度的升高,纺出来的产物会从微纳米颗粒、串珠纤维、均匀纤维到粗纤维,这一过程转变;另外PA分子量太小,PA分子在溶液中缠结不足,也会导致纤维产生串珠,这种情况建议更换分子量稍高一点的原料。

(2) 纺丝过程中,针尖挂丝、飘丝:一般是纺丝环境湿度过高,纺丝射流在空气中吸湿提前固化并且纤维上电荷中和,导致纤维带电量下降,导致纤维拉伸性能减弱,所受电场力减弱,不足以吸附到接收极。可以尝试除湿机除湿或者加热除湿解决。

(3) 皮肤意外接触到甲酸该如何处理:立即用大量清水冲洗或用肥皂水冲洗或稀碱液(碳酸氢钠溶液浓度约为1%)冲洗,注意不能用湿布擦拭,如果还很严重就要在上述紧急处理后就医。

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