殼聚糖基靜電紡納米纖維的制備和表征

畢 臻 程 鳳 夏 蓉 高 晶 王 璐

東華大學(xué) 紡織學(xué)院(中國(guó))

1 試驗(yàn)材料

殼聚糖(脫乙酰度為92.36%，黏度為180 MPa·s)，浙江金殼生物化學(xué)有限公司；聚氧化乙烯(相對(duì)分子質(zhì)量為900 000)，百靈威科技有限公司；冰醋酸(分析純)，上海凌峰化學(xué)試劑公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 靜電紡絲溶液的制備

首先，在室溫下稱取殼聚糖粉末和聚氧化乙烯粉末，二者質(zhì)量比為90∶10。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的冰醋酸溶液溶解殼聚糖和聚氧化乙烯的混合物(CS/PEO)，分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、4%和5%的溶液[1]，使用磁力攪拌器攪拌12 h，以保證溶液均一穩(wěn)定，靜置1 h后進(jìn)行靜電紡絲[2]。

2.2 靜電紡絲方法

使用安裝有20#金屬針頭的5 mL醫(yī)用注射器吸入制備好的紡絲溶液，并將其置入推注泵中，開啟高壓電源。在纖維接收裝置上包裹一層鋁箔紙，調(diào)節(jié)推注速率為0.3～0.9 mL/h，紡絲電壓為8～25 kV，針尖與鋁箔紙相距15～30 cm。通過調(diào)整紡絲溶液濃度、紡絲電壓和接收距離及環(huán)境濕度，探究纖維形態(tài)的變化。

2.3 殼聚糖/聚氧化乙烯復(fù)合納米纖維的形貌表征

采用掃描電子顯微鏡(JEOL JEM-2100， 日本)觀測(cè)納米纖維的表面形態(tài)，放大比例為1 000、3 000、5 000和10 000倍。使用Adobe acrobat pro軟件隨機(jī)選取纖維的100個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)定纖維直徑，并使用Origin8.5軟件計(jì)算平均直徑、直徑分布和變異系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

圖1所示為推注速率(v)為0.5 mL/h，紡絲電壓(U)為10 kV，接收距離(l)為20 cm，環(huán)境濕度(h)為60%時(shí)，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)的CS/PEO紡絲溶液靜電紡制得的納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖。當(dāng)CS/PEO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，纖維無法成形。其原因是大分子鏈間纏結(jié)不足。CS/PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%增加到5%時(shí)，可獲得連續(xù)纖維，纖維的平均直徑先由(261±35)nm增至(282±50)nm，然后下降為(246±26)nm。當(dāng)CS/PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，纖維直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小。然而，當(dāng)CS/PEO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%時(shí)，溶液黏度增大，不易溶解，納米纖維成形困難[3-4]。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)紡絲液所得納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖(U=10 kV， l=20 cm， v=0.5 mL/h， h=60%)

圖2所示為推注速率為0.5 mL/h，紡絲電壓為10 kV，CS/PEO紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，環(huán)境濕度為60%時(shí)，不同接收距離下的納米纖維掃描電鏡照片和直徑分布圖。如圖2所示，接收距離為20 cm時(shí)，紡出的納米纖維表現(xiàn)出較好的形態(tài)結(jié)構(gòu)且分布均勻。接收距離超過25 cm時(shí)，接收效率則較低，所得纖維稀疏。

圖2 不同接收距離所得納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖(w=5%， U=10 kV，v=0.5 mL/h，h=60%)

圖3所示為CS/PEO紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，紡絲電壓為10 kV，接收距離為20 cm，環(huán)境濕度為60%時(shí)，不同推注速率下的納米纖維掃描電鏡照片和直徑分布圖。圖3表明，當(dāng)推注速率為0.5或0.6 mL/h時(shí)，纖維的平均直徑較大。推注速率為0.7或0.8 mL/h時(shí)，纖維平均直徑較小。這可能是射流受到拉伸張力影響的時(shí)間不同所致。

圖3 不同推注速率下所得納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖 (w=5%， U=10 kV， l=20 cm，h=60%)

圖4所示為CS/PEO紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，接收距離為20 cm，推注速率為0.8 mL/h，環(huán)境濕度為60%時(shí)，不同紡絲電壓下的納米纖維掃描電鏡照片和直徑分布圖。圖4顯示了紡絲過程中紡絲電壓對(duì)納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。由于射流不穩(wěn)及溶劑揮發(fā)不足，過高的電壓會(huì)導(dǎo)致“潮濕”纖維及珠狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使纖維直徑不一致。此外，紡絲電壓過低，射流不易分裂，會(huì)導(dǎo)致并絲?？紤]納米纖維的形貌特征和一致性，10 kV為較適宜的電壓參數(shù)值。

圖4 不同紡絲電壓下所得納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖(w=5%， l=20 cm， v=0.8 mL/h，h=60%)

圖5所示為CS/PEO紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，紡絲電壓為10 kV，接收距離為20 cm，推注速率為0.8 mL/h時(shí)，不同環(huán)境濕度下的納米纖維掃描電鏡照片和直徑分布圖。

圖5顯示了不同環(huán)境濕度對(duì)纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。紡絲過程中，當(dāng)環(huán)境濕度大于60%時(shí)，出現(xiàn)串珠狀纖維。在環(huán)境濕度從30%變?yōu)?0%的過程中，纖維平均直徑先增大后減小，其原因可能是射流中的溶劑吸收了周圍環(huán)境中的水分，而使電導(dǎo)率和射流噴射速度提高。同時(shí)，溶劑的揮發(fā)使射流在被完全拉伸前很快凝固成纖維，使得納米纖維的直徑增加。隨著濕度的升高，射流中的溶劑揮發(fā)減慢，帶電射流受電場(chǎng)力牽伸較充分，因而纖維直徑減小。

圖5 不同環(huán)境濕度下所得納米纖維的掃描電鏡照片和直徑分布圖(w=5%， U=10 kV， l=20 cm， v=0.8 mL/h)

4 結(jié)論

考慮到靜電紡納米纖維的形態(tài)特征和紡絲效率，較適宜的紡絲工藝參數(shù)如下：紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，推注速率為0.8 mL/h，接收距離為20 cm，紡絲電壓為10 kV，環(huán)境濕度不超過30%。