一、研究背景

微/纳米纤维具有比表面积大、选择性渗透和表面吸附等特性，因此被广泛应用于各种领域。作为一种具有生物降解性、生物相容性和无毒性的水溶性聚合物，聚乙烯醇（PVA）具有非常好的化学稳定性和热稳定性，应用范围非常广泛。PVA 还是制造具有最高理论极限强度和模量的微米/纳米纤维的极佳候选材料。这种独特的性质使 PVA 适合于各种纺丝方法，如相分离法、自组装法、模板合成法、拉伸法和电纺丝法（ES）。ES 方法因其制备技术简单、可塑性强、技术组合性强等优点而被广泛应用。尽管 ES 系统被认为是生产纳米级直径纤维的最有效和最通用的技术，但这种系统也存在明显的局限性。例如，许多用于电纺丝的聚合物都溶解在剧毒的氯化或含氟溶剂中，从而使电纺丝过程不符合环保要求。传统的纤维生产通常需要很高的静电场，因此产生了高成本和安全问题。 此外，电纺丝工艺的效率很低，溶液进料速度仅为 1 mL h-1。所有这些关键的局限性都限制了电纺纤维的商业应用。

另外，离心纺纱（CS）是一种低成本工艺，不需要高压电源，因此具有很大的工业化潜力。离心纺丝是一种简单、可控的工艺，利用离心力制造纤维，模仿棉花糖的生产原理。纺丝液被置于旋转喷丝板内。在喷丝板旋转过程中，离心力克服纺丝液的表面张力和粘度，将液体从喷嘴喷射出来。随后，射流被拉长，然后沉积到收集器上，形成凝固的微型/纳米纤维。许多聚合物材料都被用来演示这种 CS 工艺，包括尼龙-6、聚丙烯腈、聚己内酯 、聚乳酸和聚乙烯吡咯烷酮。Yanilmaz 等人采用 CS 法制备了一种 SiO2/PAN 膜，作为锂离子电池的隔膜材料。Nava R 等人制备了一种基于 CS 的碳化硅复合纤维，作为锂离子电池的非粘合剂负极，显示出大规模生产的潜力。最近的一些研究主要集中在希尔思原理上。Stojanovska 等人通过优化多元回归法，研究了喷嘴与收集器之间的距离、旋转速度和喷嘴直径，确定了对纤维形态和直径影响较大的参数。

虽然 ES 法可以生产出形态优异、分布均匀的纤维，但其生产效率低，对聚合物性能的依赖性高，因此无法大规模应用。尽管 CS 生产效率高，但其生产的纤维形态和分布均匀性往往不如电纺纤维。电离心纺丝（ECS）结合了 ES 和 CS 的优点，不仅能生产出形态良好、分布均匀、性能优异的纤维，大大扩展了 CS 的应用范围，还能显著提高生产效率。离心牵引力与电牵引力并用，可提高产量和对齐度。这两种力都能有效拉长 ECS 中的聚合物射流以形成纤维。近年来，ECS 已广泛应用于微米/纳米纤维的生产。Liu 等人以 ECS 为基础，在较低的工作电压和旋转速度下制备了单轴和交叉取向的超细聚苯乙烯纤维阵列。Khamforoush 等人改进了 ECS，采用双喷嘴作为喷丝头，大大提高了微米/纳米纤维的生产效率。Muller 等人应用 ECS 制备了直径为几十纳米的超细纤维。 这种高度互联的纳米纤维非织造网的生产率比传统的 ES 系统高出几个数量级。为了探索如何提高 ECS 系统的生产效率，本研究采用了自行设计的静电-电场辅助离心纺丝装置来生产超细 PVA 纤维。系统研究了各种工艺参数对纤维直径和形态的影响。重要的是，优化后的 PVA 纤维毡对氨 (NH3) 和 CO2 的高选择性吸附性能优越。这项研究成果为生产基于 PVA 的超细纤维材料迈出了一步，这种纤维材料可用于环境净化、生物工程和 NH3 储存等许多关键应用领域。

二、摘要

超细聚乙烯醇（PVA）纤维在各种应用领域，尤其是吸附领域具有突出的潜力。本文设计了一种静电-电场辅助离心纺丝系统，以提高从用于吸附 NH3 的 PVA 水溶液中生产超细 PVA 纤维的效率。结果表明，使用这种自行设计的系统生产纤维的效率是传统电纺丝系统的 1000 倍。生产出的 PVA 纤维具有很高的形态均一性。通过扫描电镜研究，系统地考察了构建的纺丝系统的加工变量（包括转速、针头尺寸、进液率和电压）对纤维形态和直径的影响。为了获得均匀的超细 PVA 纤维膜，还进行了正交实验以优化纺丝工艺参数。由此得出了不同研究参数对纺丝性能的影响权重。实验结果表明，通过调整纺丝工艺参数可以很好地控制微米/纳米纤维的形态。通过调节转速（6500 rpm）、针尺寸（0.51 mm）、进料速度（3000 mL h-1）和电压（20 kV）等参数，成功获得了直径为 2.55 μm 的超细 PVA 纤维。此外，所获得的超细 PVA 纤维毡能够选择性地吸附相对于二氧化碳的 NH3 气体，因此有望用于 NH3 存储和其他环境净化应用。

三、结论

在这项工作中，利用自行设计的静电场辅助离心纺丝系统成功地高效生产出了超细 PVA 纤维。与传统的离心纺丝系统相比，本研究在纺丝装置的基础上引入额外的静电场，可高效生产超细纤维。同时，ECS 系统的 PVA 纤维生产效率（≥3000 mL h-1）是传统电纺系统（每小时约几毫升）的 1000 倍左右。为了利用所设计的 ECS 系统获得超细 PVA 纤维，系统地研究了转速、针头尺寸、进料速度和电压对纤维形态的影响。正交试验用于探索最佳参数。结果表明，转速是 ECS 系统生产 PVA 纤维的最关键参数。利用旋转速度（6500 rpm）、针头尺寸（0.51 mm）、进料速度（3000 mL h-1）和电压（20 kV）等纺丝参数，成功获得了直径为 2.55 μm 的超细 PVA 纤维。结果表明，最佳的 PVA 纤维毡能够选择性地捕捉 NH3 而不是 CO2。因此，这项工作为生产超细纤维材料开辟了一条新的途径，使其能够应用于环境净化以外的许多关键领域，如柔性传感器和电子设备以及 NH3 存储应用。

图1.图示 (a) ECS 设置和 (b) PVA 纤维的形成。

 

图2.ECS 装置主要部分的数字图像 (a)，包括一个纺丝杯，(b) 两个喷嘴作为喷丝头；(c) ECS 装置内纤维的数字图像，(d) 制成的 PVA 纤维。