綠色可降解超細(xì)纖維的制備及性質(zhì)表征

劉福紅，林 花，曹 菲，龔 劍

（1.東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024；2.吉林工商學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林長春 130062；3.吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院檢驗科，吉林長春 130021）

綠色可降解超細(xì)纖維的制備及性質(zhì)表征

劉福紅1，2，林 花3，曹 菲1，龔 劍1

（1.東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024；2.吉林工商學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林長春 130062；3.吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院檢驗科，吉林長春 130021）

采用可以食用的玉米淀粉糖為原料，用乙醇做溶劑，通過高壓靜電紡絲法制備了玉米淀粉糖的超細(xì)纖維.經(jīng)加熱處理增加了玉米淀粉糖超細(xì)纖維的穩(wěn)定程度和柔韌性，并降低了水溶性.通過X射線粉末衍射（XRD）、紅外光譜（IR）和掃描電子顯微鏡（SEM）等測試手段對纖維的組成和形貌進(jìn)行了表征.結(jié)果表明，玉米淀粉糖與乙醇發(fā)生了縮醛化反應(yīng).

綠色；玉米淀粉糖；靜電紡絲；超細(xì)纖維

玉米淀粉糖是一種優(yōu)良的可生物降解材料［1］，已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、保健等領(lǐng)域［2］.玉米淀粉糖是從玉米中制得，玉米可再生，在我國產(chǎn)量豐富，所以玉米淀粉糖來源豐富，容易得到.本文以玉米淀粉糖為原料，乙醇做溶劑，利用靜電紡絲方法制備了玉米淀粉糖超細(xì)纖維［3－5］，并探討了制備的最佳條件.該實驗的典型特征是實驗過程及所用原料、試劑均無毒害，對環(huán)境無污染，制備的纖維能降解，可以說是綠色化學(xué)的典范.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器：靜電高壓裝置及噴管、接收板（自組裝）；JSM－5600型掃描電子顯微鏡（日本）；Alpha－Centauri560型FT－IR光譜儀（Nicolet公司）；D／max－Ⅲc自動X射線儀（日本）.

試劑：玉米淀粉糖、乙醇均為分析純.

1.2 制備方法

分別配制不同比例的玉米淀粉糖和乙醇的混合溶液（見表1），恒溫水浴加熱，靜止，使其作用.分別用靜電高壓紡絲裝置進(jìn)行紡絲，纖維呈白色毯狀，避光保存在干燥器中.

表1 玉米淀粉糖和乙醇不同比例的混合液

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

玉米淀粉糖的紅外光譜見圖1中曲線a，在3 366 cm－1處的寬峰歸屬于O—H的伸縮振動峰［6］，1 636 cm－1歸屬于C═ O的伸縮振動峰，2 929 cm－1歸屬于C—H伸縮振動峰，1 149 cm－1歸屬于（C—O—C）的不對稱伸縮振動，767，923和845 cm－1則對應(yīng)于葡萄糖的環(huán)變形模式［7］.圖1中曲線b為玉米淀粉糖纖維的紅外光譜，同圖1曲線a比較，可以看出：3 389 cm－1處O—H的伸縮振動峰明顯增強(qiáng)，1 628 cm－1處C═ O的伸縮振動峰明顯減弱，并且C—O—C的伸縮振動峰明顯增強(qiáng)，推測生成了縮醛式化合物［1］.在圖1曲線b上1 042，1 079，1 151和1 172 cm－1處明顯出現(xiàn)了C—O—C的伸縮振動吸收峰，它們屬于縮醛的特征吸收峰［6］.這些結(jié)果證實了玉米淀粉糖在形成纖維前與乙醇發(fā)生了縮醛反應(yīng).

2.2 XRD表征

玉米淀粉糖和玉米淀粉糖纖維的XRD曲線見圖2.圖2曲線a在2θ＝21.3°處有一個寬衍射峰；曲線b在2θ＝22°處和2θ＝16.5°處分別有一個衍射峰.若玉米淀粉糖與乙醇分子間沒有作用或者作用弱，那么這2條曲線應(yīng)該很相似.而實際上在曲線b中，我們看到一個峰位發(fā)生明顯偏移的寬峰，在2θ＝22°處出現(xiàn)了一個尖峰，且峰強(qiáng)增強(qiáng)，峰寬變窄.這一結(jié)果表明乙醇和玉米淀粉糖分子間發(fā)生了相互作用，即發(fā)生了縮醛反應(yīng).

圖1 玉米淀粉糖（a）和玉米淀粉糖纖維（b）的紅外光譜

圖2 玉米淀粉糖（a）和玉米淀粉糖纖維（b）的XRD

2.3 SEM表征

圖3 玉米淀粉糖纖維的SEM

2.3.1 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維形態(tài)的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玉米淀粉糖纖維的SEM圖見圖3.從圖3中我們可以看出，玉米淀粉糖纖維材料在電壓、噴口到接收板距離一定時，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加纖維的形狀變化：a（塊狀）→b（短纖維）→c（長纖維）→d（中纖維，長度變短）.隨著乙醇含量的增加，可以紡制出纖維，并且纖維的長度逐漸增大，均勻程度也有所提高，但乙醇增加到一定量（37.5%）之后，絲的均勻程度開始下降，并且纖維長度變短.比較圖3b可以看出，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.5%時能紡制出形態(tài)較好的纖維.

2.3.2 溫度對纖維形態(tài)的影響

溫度對纖維形態(tài)的影響見圖4.從圖4中a為纖維未加熱，b為纖維在真空烘箱中90℃時加熱12 h.通過比較發(fā)現(xiàn)：加熱使纖維的鋼性降低，柔韌性略有增強(qiáng)；加熱對纖維的形貌影響不大，但經(jīng)過加熱后的纖維較加熱前有明顯的室溫穩(wěn)定性，在我們的實驗中，保持幾個月而沒有發(fā)生任何形態(tài)上的改變，并且加熱后纖維的憎水性有所增強(qiáng).

圖4 乙醇濃度相同時纖維加熱前后的SEM

2.4 纖維的直徑分布

纖維的直徑分布見圖5.圖5a為乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%，最小直徑為900～1 000 nm，平均直徑約為1 428 nm；圖5b中，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.7%，最小直徑為900～1 000 nm，平均直徑約為1 334 nm；圖5c乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%，最小直徑為600～700 nm，平均直徑約為1 296 nm；圖5d中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5%，最小直徑為1 000～1 100 nm，平均直徑約為1 453 nm.隨著乙醇含量的增加，絲的均勻程度有所提高，并且纖維的直徑變小，但乙醇增加到一定量之后，絲的均勻程度又開始下降，并且纖維的直徑變大.乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.5%為最佳條件，纖維平均直徑小.

圖5 玉米淀粉糖纖維的直徑分布

3 結(jié)論

本文以綠色化學(xué)為原則，整個實驗無毒、無污染.用靜電紡絲法可直接獲得具有較好結(jié)構(gòu)的超細(xì)玉米淀粉糖纖維，通過90℃的熱處理后，纖維形貌可長時間保持不變，且憎水性增強(qiáng)，初步改善了纖維的性質(zhì).紅外光譜及X射線粉末衍射顯示玉米淀粉糖與乙醇發(fā)生了縮醛化反應(yīng).從纖維直徑分布圖中可以看出：乙醇含量的增加，纖維直徑變小，纖維均勻程度有所提高.

4 展望

玉米淀粉糖纖維的制備目前還未見報道.提倡綠色消費與加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)勢在必行，符合潮流的生物降解材料作為高科技產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品正成為一個研發(fā)熱點.玉米是可再生資源，所以玉米淀粉糖的來源非常豐富.我們已經(jīng)成功紡制出玉米淀粉糖超細(xì)纖維，而且整個實驗過程及纖維都是綠色無污染的，以后我們要做的工作就是對玉米淀粉糖超細(xì)纖維的性質(zhì)逐步改進(jìn)，它的優(yōu)良性質(zhì)如保暖性、防水透氣性、優(yōu)良的過濾性、去污、去油、吸水性等超細(xì)纖維的特性就會逐漸被挖掘出來，為在紡織業(yè)、醫(yī)療防護(hù)織物等方面的應(yīng)用奠定牢固的基礎(chǔ).

［1］曾昭瓊.有機(jī)化學(xué).第3版.［M］.北京：高等教育出版社，1997：320－321.

［2］DING B，KIN H Y，LEE SC，et al.Preparation and characterization of a nanoscale poly（vinyl alcohol）fiber aggregate produced by an elcctrospinning method［J］.Polymer Physics，2002，40（4）：1261－1268.

［3］DEITZEL J M，KLEINMEYER J D，HIRVONEN J K，et al.Controlled deposition of electrospin poly（ethylene oxide）fibers［J］.Polymer，2001，42：8163－8170.

［4］王鳳春，呂瑩，汪偉，等.導(dǎo)電聚苯胺不同納米結(jié)構(gòu)的制備［J］.東北師大學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，41（1）：69－72.

［5］鄒憲芝，尹榮，奚洪民，等.靜電紡絲法制備SiW11W／PMMA復(fù)合纖維［J］.東北師大學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，41（2）：113－116.

［6］王緒明.紅外光譜分析100例［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1984：25－99.

［7］鄧芹英，劉嵐，鄧慧敏.波譜分析教程［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2005：60－61.

Preparation and properties characterization of green degradable microfibers

LIU Fu－h(huán)ong1，2，LIN Hua3，CAO Fei1，GONG Jian1
（1.Faculty of Chemistry，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Basic Research Department，Jilin Business and Technology College，Changchun 130062，China；3.Department of Clinical Laboratory，The First Hospital of Bethune，Jilin University，Changchun 130021，China）

In this paper，corn starch sugar（CSS）microfibers were produced by electrospinning.The edible CSS is raw material and the alcohol is solvent.Stability and flexibility reinforced through HTD Heated，and reduces solubility in the water.The CSS microfibers were characterized by X－ray diffraction（XRD）pattern，F(xiàn)ourier transform infrared（FTIR）spectroscopy，and Scanning electron microscopy（SEM）images.The result indicates that CSS reacted with alcohol by acetalation.This research will provide meaningful foundation for the application of the CSS microfibers in textiles，industrial and agricultural production and lives in future.

green；corn starch sugar；electrospinning；microfibers

O 636.1＋2

150·4520

A

1000－1832（2011）04－0092－04

2011－10－15

國家自然科學(xué)基金資助項目（50202007）.

劉福紅（1977—），女，博士研究生，講師；通訊作者：龔劍（1962—），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事生物降解聚合物材料研究.

石紹慶）