静电纺丝之您想知道的系列—PA (聚酰胺/尼龙)

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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。