醋酸纤维素的改性及可控电纺的研究

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随着纳米科技的发展,纳米纤维材料因其尺寸效应显著,在电、磁、光、热等方面展现出众多新奇的特性,因而受到研究者们的关注。静电纺丝技术是制备直径分布在纳米至微米级超细纤维简单且有效的方法之一。与传统纺丝方法不同,静电纺丝借助于高压电场作用获得超细纤维,所得纤维具有较大的比表面积以及孔隙率。醋酸纤维素首次制备于1865年,是纤维素的乙酸酯。由于其对光稳定、易溶于有机溶剂,具有温和、安全、良好的稳定性和相容性,常作为纤维素替代材料应用于静电纺丝领域。然而,醋酸纤维素性能单一,应用范围受限,大规模工业化生产具有难度,仍需要进一步系统的研究。本文采用静电纺丝技术,以醋酸纤维素为基体材料,分别将聚乙烯亚胺、聚苯胺、以及聚乳酸添加到CA中,制备了三个体系的改性CA复合纳米纤维。研究了体系中溶液浓度、聚合物组成、改性聚合物性能对改性CA纳米纤维的形貌、结构和性能的影响,主要分为以下四部分研究工作:(1)选取丙酮与水作为共溶剂,制备了CA/PEI电纺纳米复合材料。研究结果表明随着PEI含量的增加,复合纤维直径逐渐增大,且出现了两种不同直径的纤维分布;利用扫描电镜与透射电镜观察水洗后电纺纤维的形貌,水洗后的CA纤维表面仍然为光滑的圆柱形结构;而复合纤维表面出现大量的凹陷与孔洞,内部产生中空结构。结合DSC、FTIR、XPS等数据分析了复合纤维中两组分的分布,即PEI含量较低时,由于PEI和CA的侧基的极性基团相互作用增强,PEI均匀分散在CA体系中,水洗后形成中空结构;PEI含量逐渐增大,其侧基基团随电场力增大表现为斥力增强,在CA/PEI体系中向外扩散至纤维表面。(2)制备了具有导电性能的CA/PANI电纺纤维,并通过对电纺纤维定向机理的分析和有限元模拟方法,选取置于绝缘基板上相互平行的铜丝作为接收装置制备得到了具有宏观结构可控的纳米纤维。通过改变电纺条件得出:材料导电性增大,纤维排布有序度提高;在一定范围内提高铜丝间距可以提高纤维排布的有序度;PANI浓度增加,材料导电性增强,铜丝上纤维排布的有序度提高;添加HCSA可以提高PANI在CA/PANI溶液中的溶解度,材料导电性增强,纤维排布的有序度提高。(3)以氯仿和丙酮作为溶剂,制备了单组份左旋聚乳酸(PLLA)电纺纤维,通过提高溶液浓度能够有效的减少串珠结构,获得直径可控的超细纤维。引入CA组分后,复合纤维直径增大并伴有两相纤维产生,提高CA的含量,复合纤维直径呈递减趋势。DSC、XRD测试表明,两组分具有良好的相容性,CA组分是影响纤维焓变的主要因素。力学性能测试结果表明,复合纤维拉伸性能较纯CA纤维有所提高,两相纤维对于力学性能产生了有利的影响。此外,接触角测试表明,加入CA组分后,电纺纤维的亲水性能得到了显著提高。(4)基于第三部分的研究工作,选取CA/PLLA及PLLA作为基体材料,绑定生物素后通过电纺丝制备生物传感器界面,并利用生物素/链霉亲和素之间快速特异的结合作用,将蛋白质固载于纤维膜表面以达到探测蛋白的目的。结合SEM、XRD、比色实验、以及酶联免疫吸附试验对比发现,CA组分的引入能够使复合纤维产生多孔的微观结构,进一步提高基体材料中的生物素与蛋白接触的面积,提高生物传感器的灵敏性及有效性。
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