静电纺丝之您想知道系列—PVDF（聚偏氟乙烯）

目录  

1.PVDF材料的性质

2.静电纺PVDF的应用

3.静电纺PVDF流程

4.常见纺丝问题及解决方法  

 

1.PVDF材料的性质 

聚偏氟乙烯 (PVDF)是含氟塑料中的一种特种塑料，外观呈半透明或白色的粉体或颗粒，其分子式如图1所示。PVDF密度范围为1.75～1.78 g/cm3，吸水率＜0.04%，玻璃化转变温度为-39℃，脆化温度在-62℃以下，熔点为170℃左右，热分解温度大于316℃，长期使用温度范围为-40℃～150℃。具有优良的力学性能、化学稳定性、生物相容性、疏水性、高介电强度和抗紫外辐射降解性能。只溶于N,N二甲基甲酰胺 (DMF)、N,N二甲基乙酰胺 (DMAc) 、二甲基亚砜 (DMSO) 、四氢呋喃 (THF) 及N-甲基吡咯烷酮 (NMP)等有机溶剂。

图1 

 

2.静电纺PVDF的应用 

（1）压电薄膜：一般情况下PVDF 以非极性的α晶相存在，不具备压电特性。通过高压极化等方法，可以获得β晶相的PVDF，具有良好的压电性能。与传统压电材料相比，PVDF 具有频响宽、力电转换灵敏度高、强度高等特点，并具有质量轻、柔软性好、耐冲击等优势。通过静电纺丝的方法制备PVDF 纤维膜，具有操作简单、方便、成本低等优点，且所制备的PVDF 纤维膜柔软、质轻，特别是其具有良好的透气性，是可穿戴产品的理想选择。同时，静电纺丝过程整合了极化和拉伸作用，这是用静电纺丝方法制备β晶相PVDF压电薄膜的优势所在。

图2 静电纺丝压电薄膜应用

 

（2）防水透湿膜：防水透气(透湿)材料又称为可呼吸材料(可呼吸织物、可呼吸纸等)，能阻止液态水通过或渗透，同时又可以透过气体(或水蒸气)的材料。PVDF的静态接触角远大于90°，属于较强的疏水性物质，而且静电纺制备的PVDF纤维膜孔隙率高，相对传统涂层膜的透气性要好得多。其制备的防水透湿纳米纤维膜可广泛应用于赛车服、高尔夫装、防水服、登山鞋、浴帘、桌布、雨衣、 航海服、钓鱼裤、风衣、防寒夹克、 滑雪服、滑雪手套、登山服、打猎服、冲浪服、 冲锋衣、灯饰配件、手机防水配件等领域。

图3 静电纺丝防水透湿膜应用

 

（3）防水透声膜：现如今，随着电子产品不断的发展，对于电子产品的防水性能也不断提高，防水透声膜也从IP54提升到IP68。PVDF纳米纤维膜具有优良的疏水性、透气性能，用于各类防水手机，防水相机及防水电子产品上，即防尘防水透气同时也不影响其音质。

图4 静电纺丝防水透声膜应用

 

（4）医用敷料膜：PVDF具有良好的生物相容性及理化性质，其形成的纳米纤维支架结构与细胞外基质相似，有利于细胞的黏附生长，且可促进细胞的接触、渗透、保持细胞结构的稳定性，使得细胞沿纤维定向生长。其疏水性的特性可防止水分从伤口处挥发，高孔隙率和较好的拉伸性能可保持透气性和柔韧性。

图5 静电纺丝医用敷料膜应用

 

（5）锂离子电池隔膜：PVDF等氟系聚合物因为它们具有好的化学稳定性和对电解液良好的亲和性，一直以来受到人们的极大关注。电池隔膜是电池中一个必不可少的部件，用来将电池的正负极活性物质隔开，避免电池短路。隔膜有两个重要的功能，除了避免正负极间任何电子流直接通过外，它还要求离子流通过时的阻力尽可能小。故选择多孔非导体的PVDF纳米纤维膜作为隔膜材料，可以最佳地满足这两个对立的要求。图6 静电纺丝锂电池隔膜应用

 

（6）高效低阻空气/水过滤膜：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。PVDF纳米纤维膜具有孔径小、孔隙率高、比表面积大、吸附性能好等优点，非常适合应用于空气/水体过滤材料，并且通过表面涂覆、共混等方法对纳米纤维膜进行改性，有效提高膜的亲水性、截留率和抗污染性。

图7 静电纺丝高效低阻过滤膜应用 

 

3. 静电纺PVDF流程 

3.1主要材料和仪器：

(1) 纺丝材料：PVDF颗粒或粉末，分子量10万-100万；DMF （或DMAc）溶剂，分析纯。

(2) 实验仪器：50mL锥形瓶、磁力搅拌器、水浴锅、电子天平、E05静电纺丝机。3.2纺丝液配置：使用电子天平称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于水浴锅中搅拌；再称取一定质量的PVDF，缓慢加入搅拌的锥形瓶中；盖紧瓶盖，防止水汽进入锥形瓶；设置水浴温度为60℃，连续搅拌溶解4h，至溶液澄清透明，即可得到一定质量浓度的PVDF纺丝液。常见PVDF纺丝液质量浓度为10% -22% ; 溶剂体系为DMF  (DMAc)、DMF/AC (7:3) 、DMF/THF (7:3)。

3.3纺丝过程及参数

将上述PVDF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；设置注射泵规格为20mL，供液速度2mL/h，辊筒转速300转/min，滑台行程20cm，纺丝距离15cm，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。

常用静电纺接收基材：铝箔纸、离型纸、无纺布、筛网布等。

 

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PVDF浓度太低，导致纺丝液粘度不够，建议继续提高PVDF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PVDF分子量太小，PVDF分子在溶液中缠结不足，也会导致纤维产生串珠，不建议使用分子量太低的PVDF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）纺丝液保存过程中，发生凝胶：PVDF纺丝液易吸收空气中水气而凝固，因而需在干燥密闭的条件下保存，建议现配现用或者密封保存3天内使用。

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