超疏水的性质实际上电纺纳米纤维垫感兴趣的的应用程序。在面料和过滤器,空气渗透率,除了他们的疏水性,是很重要的。一些出版物报道的渗透率垫。在本文中,我们报告测量空气渗透率和比较它与渗透率预测使用常见的纤维相关媒体。

超疏水表面是不加区别地定义为表面与水接触角(wca)大于150度。在自然界中许多超疏水表面观察到的例子。一个著名的例子是荷叶的超疏水表面。Barthlott和Neinhuis 1]研究了荷叶上的粗糙表面的微观结构,发现荷叶帮助叶击退水表面,保持干净。在另一个例子,高和江 2)表明,一个池塘溜冰者可以在水面上行走,因为腿部的表层结构。腿有microhairs和纳米沟槽的腿毛,腿表面超疏水。一般来说,超疏水表面是捏造通过创建一个纳米级表面粗糙度和表面通过低表面能材料。等离子体蚀刻( 3机械拉伸(), 4),而电纺的方法用来创建粗糙表面。低表面能物质,通常是氟化( 5)或有机硅化合物( 6),被用来创建超疏水表面。超疏水表面具有WCA但在某些应用程序中接触角滞后和临界倾角和衬底之间的水平,低于这个水滴开始移动升降衬底的一端,也必要的( 7]。它需要一个大接触角和小倾角为自洁式应用程序。

电纺的是一个简单和方便的方法来创建superhydrophobicity粗糙表面在适当的规模。的方法,电纺纳米纤维垫是有据可查的 8]。静电纺丝是多功能材料使用在许多行业包括空气和液体过滤( 9),组织工程( 10],催化[ 11),和传感器( 12]。

在这个工作保利(4-methyl-1-pentene)实际上电纺在不同重量浓度。纳米纤维的纤维形态和纤维直径分布特点。表面水接触角测试,接触角滞后和透气性。渗透率是安装通过线性关系的基础重量纤维垫。测量渗透率与渗透率计算媒体发布相关的纤维。

静电纺丝的形态及其可纺性强烈影响电纺参数包括解决方案属性和周围的环境 14]。通常三种典型形态如珠,bead-on-string结构和纤维结构可通过调整溶剂类型、solvent-to-polymer浓度、溶剂添加剂(用非极性溶剂来提高波动和解决方案),聚合物分子量、温度和外加电压。不同聚合物浓度的聚合物被用于这项工作与珠子产生纳米纤维结构。一般来说,生产珠子纺丝溶液聚合物浓度较低时,表面张力高、低粘度、低电导率( 15]。浓度的1、2、3和4的重量百分数PFMOP溶解在溶剂环己烷/丙酮和DMF的混合物(按重量80/10/10)实际上电纺纳米纤维。电纺的条件在表的细节 1。SEM图像和频率分布的PFMOP纳米纤维在图所示 2, 3, 4, 5, 6。

数据 2- - - - - - 5表明,纤维珠子。单位面积上的珠子的数量相当低,所以珠子被忽略了的纤维直径分布的计算。图片也显示,一些较大的纤维持平和丝带形状。丝带被用作预测厚度的纤维直径虽然其他方法可能存在纤维尺寸和形状特征。投射纤维垫的大小是最相关的超疏水特性由于Cassie-Baxter机制( 16]。纤维直径分布计算长度加权的基础上,假定一个对数正态分布分布曲线 17]。平均值和标准偏差的纤维尺寸表中列出 1。

Cassie-Baxter机制发生在滴坐在粗糙表面接触固体和气体在同一时间。在纳米纤维垫的情况下,滴在接触固体聚合物纤维在纤维之间的孔隙空间和空气。的净效应下降不经历同样的力量通常如果是固体表面光滑连续的表面而不是多孔纤维膜和液滴可以接触角超过150度显示超疏水的性质。实际上电纺纳米纤维垫的超疏水性能的评论文章中讨论Shirtcliff et al。 18和Asmatulu et al。 19]。

上的水接触角测量DSA20E使用去离子水位置5微升纤维垫表面水滴。5微升滴直径约为2.1毫米。平均至少5独立的观察来确定最终的接触角和接触角滞后的价值实际上电纺nanofibrous表面。示例图片滴的表面图所示 7。

接触角滞后被定义为前进和后退接触角之间的区别。水滴约3毫升水中放置在纳米纤维毡,不断注入5毫升注射器,直到滴体积的。前进接触角是观察到的水注入和水滴直径增加。同样,水不断从5-microliter水滴观察后退接触角。测量WCA和滞后的纤维垫表中列出 2。滞后以及接触角的值不变化显著的增加基础体重(单位面积纤维垫)的质量。相对较低的值(小于10度)滞后表明实际上电纺表面相当同质的性质和水和表面之间几乎没有互动。

磁导率是一个衡量流体通过过滤介质的难易程度。透气性的非织造过滤媒体测量气流通过过滤的媒体在指定的压降。渗透率是由达西定律定义( 20.]: (1) 问 = 一个 k μ Δ P l , 在哪里 问 空气流量, 一个 过滤面积, k 磁导率, μ 是空气粘度, Δ P 是压降, l 过滤介质的厚度。因为 l 难以准确衡量薄非织造过滤媒体和所有的纳米纤维样品有相同的厚度在实验误差,集总参数 k / l 据报道在表 3。渗透率数据表中列出 33数据点的平均值和标准差的三个数据点。

回归分析进行联系的影响基重(克每平方米纳米纤维区)和纤维直径的纳米纤维样品的渗透率。分散的数据导致渗透率之间的弱相关纤维直径。然而,根据体重相关的强烈渗透/厚度,如图 8。拟合方程 (2) k l  =  ( - - - - - - 2.99 ±  0.42 × 10 - - - - - - 9 ) ( 基础 重量 ) +  ( 1.15 ±  0.09 ) × 10 - - - - - - 7 。 珠子的存在的影响和丝带形状的纤维可能原因缺乏相关性渗透到纤维直径。

相关性预测压降对流经非织造纤维媒体可在文学。一个著名的相关性是Kuwabara模型( 21]。Kuwabara模型被推广到气动滑(占 22)产生的气流通过媒体submicron-sized纤维。压降与流量通过以下表达式: (3) Δ P = 16 μ c l 问 ( 1 + 1.996 kn ) d 2 一个 ( - - - - - - ( 1 / 2 ) ln ⁡ ⁡ ( c ) - - - - - - 0.75 + c - - - - - - c 2 / 4 + 1.996 kn ( ( - - - - - - 1 / 2 ) ln ⁡ ⁡ ( c ) - - - - - - 。 025年 + c 2 / 4 ) ] , 在哪里 d 纤维平均直径, c 纤维体积分数, kn 克努森数,由 (4) kn = 2 λ d , 在哪里 λ 是气相分子的平均自由程。通过重排和比较( 1),得到的渗透率/长度的表达式 (5) k l = d 2 ( - - - - - - ( 1 / 2 ) ln ⁡ ⁡ ( c ) - - - - - - 0.75 + c - - - - - - c 2 / 4 + 1.996 kn ( ( - - - - - - 1 / 2 ) ln ⁡ ⁡ ( c ) - - - - - - 0.25 + c 2 / 4 ) ] 16 c l ( 1 + 1.996 kn ) 。 室温和1 atm的压力,空气是69海里的平均自由程。纤维体积分数有关垫基重 (6) c = ( 基础 重量 ) l ( 纤维 密度 ) 。

使估计的基于广义Kuwabara模型渗透率/厚度,过滤器是被平均厚度垫厚度约65微米。PFMOP的密度是0.84克/ cc,据聚合物供应商在他们的网站 23]。图中的数据 9一起绘制的曲线( 5)如图 9。

图 9表明,计算渗透率/厚度大概是两到三个数量级小于测量值。Kuwabara模型假定垫有纤维体积分数在10%左右或更少。纳米纤维垫在这项工作学习,纤维体积分数范围从18 - 55%。同时,Kuwabara模型假定通过毛孔等是由于压力流流而流过很小的孔可能是由扩散机制( 24]。

此外,Kuwabara模型假定纤维排列在常规阵列的平行纤维和纤维都是圆柱形状的直径。实际上电纺纤维的形态和垫是随机安排的,有不同的直径和形状,珠子。所有这些因素之间的显著差异测量和绘制在图计算渗透率 9。

这表明模型类似于Kuwabara模型可能并不适合建模薄实际上电纺纤维。然而,这些模型可能适合的条件更适合模型的假设,例如当实际上电纺纤维结构,纤维体积分数远低于10%。模型预测渗透率的开发薄实际上电纺纤维垫是未来研究的主题。

在这个工作中,保利(4-methyl-1-pentene)实际上电纺生产超疏水垫。纤维的形态和纤维直径是评估各种电纺溶液的浓度。纤维是圆形和丝带形状的珠子。平均纤维直径范围从200到700海里随着聚合物浓度的增加从1到4 wt %。纤维垫是超疏水接触角超过150度。水接触角随着纤维直径的增加而减少,但不影响纤维垫基重。渗透率是安装垫基重的线性关系,但弱与纤维直径有关。比较实验测定垫渗透率的渗透率计算使用Kuwabara模型表明,Kuwabara模型低估了渗透率由几个数量级。