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丝胶的静电纺丝研究

丝胶的静电纺丝研究

武驰昀
(辽东学院,辽宁 丹东,118000)
摘要:本文综述了静电纺丝的起源、原理、方法、静电纺丝应用现状和未来发展方向、前景。
关键词:静电纺丝;丝素;丝胶; 应用现状;前景
1.  前言
1.1静电纺丝技术的起源
     “静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”,国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年,Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利,其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流,这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利,被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是,从科学基础来看,这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例,其概念可以追溯到1745年。静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式,此时雾化分裂出的物质不是微小液滴,而是聚合物微小射流,可以运行相当长的距离,最终固化成纤维。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同,静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体,而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。这样,静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域[1]
 
1.2静电纺丝原理
 
                        静电纺丝原理图
 
静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电,带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时,聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布状的纤维毡。在静电纺丝过程中,液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中,因此,当射流从毛细管末端向接收装置运动时,都会出现加速现象,从而导致了射流在电场中的拉伸[2]
 
 
1.3静电纺丝的基本装置
一般的静电纺丝装置包括高压电源 (用以提供喷射装置与收集装置间的强电场 ,一般采用最大输出电压在 30~100kv的直流高压静电发生器),溶液储存 (可以使用注射器或储液管等,其中装满聚合物溶液或熔融液 ,并插入一个金属电极。该电极与高压电源相连 ,使液体带电),喷射 (喷射装置为内径 0. 5~ 2 mm的毛细管或注射器针头)、推进 (供液系统 ,采用推进器或气体推进 )和接收装置 (可以是金属平板、网格或滚筒等。利用不同形状的收集装置,可制成各种非织造布产品) [3]
  2 . 研究目的及意义
 
蚕丝是由蚕体内绢丝腺分泌出来的液体凝固而成的 ,其主要成分为丝素蛋白 (Silk Fibroin ,简称 SF)和丝胶蛋白 (Silk Sericin ,简称 SS)。由于蚕丝具有优越的机械性能 ,近年来 ,对其仿生纺丝的研究引起了学者的广泛关注,且研究重点大多集中在丝素蛋白溶液的构象变化及通过湿法纺或静电纺进行再生成纤方面,但目前所制得的再生丝素蛋白纤维性能和天然蚕丝相比仍有很大差距 ,远不能达到仿生的效果[6]。与此同时 ,作为蚕丝的另一主要成分 ——丝胶蛋白 ,在以往的研究中则大多被忽略,诸多研究表明,蚕丝丝胶蛋白是一种天然高分子,具有良好的生物相容性、生物可降解性及良好的力学性能因而的到研究者的广泛关注。有研究人员已经做了再生丝素蛋白的静电纺丝并得到了初步的成果[7~9],为完善扩大对蚕丝蛋白的探索,所以有必要尝试对丝胶蛋白进行静电纺丝并研究。
目前电纺丝制备过程中主要使用溶液纺丝法,这种方法要求将聚合物溶解在合适的溶里。溶剂的沸点对纺丝过程有很大的影响,溶剂挥发太快则会使喷丝口堵塞,阻碍纺丝的进行,也会使纤维很快干燥得不到完全劈裂细化,纤维直径很大;若挥发得太慢,则会使纤维在收集板上互相粘连在一起,甚至生成的纳米纤维会被重新溶解掉。同时溶剂的不同还会影响溶液的黏度、电导率等其它参数,以至于对纤维的形态产生影响。所以选择恰当的纺丝溶剂以获得高质量的纺丝溶液从而纺出高品质纤维的任务迫在眉睫[411]
纤维的细度(以直径表征)对纤维的诸多性能有着直接影响,所以要深入探讨影响纤维直径大小的主要因素,并确定可选择性灵活的静电纺丝工艺条件。
不同材料的共混纺丝会对所得纤维性能有改善作用,所以初步进行丝胶和其他材料的混纺探讨。
理论上,是蚕丝蛋白静电纺丝原理的继承和发展,使得蚕丝蛋白静电纺丝溶剂的选择依据得到深化,并在其他材料选择纺丝溶剂方面起指导作用。
现实上,是对静电纺丝纤维品种的扩展,为进一步推动纳米静电纺丝的产业化做出小小的贡献。
  3.静电纺丝技术的现状及应用
3.1  增强复合材料
静电纺丝所得的纳米纤维比同材质微米尺寸的纤维具有更高的机械性能,而且其极大的比表面积也增强了纤维与基体材料之间的相互作用。Greiner等指出,静电纺纳米纤维可达到“分子增强复合材料”的效。以纳米纤维作为增强材料可使基体的机械性能提高数倍乃至几个数量级。此外,由于纳米纤维的尺寸与光波长相近,以其作为增强材料还可提高复合材料的透明度。
3.2  过滤分离
静电纺丝纤维具有过滤系数高、空气阻抗低的优点,是用作高性能过滤器的理想材料。通常来说,过滤系数的高低与纤维直径密切相关,纤维越细则过滤能力越强,因此降低纤维直径是提高过滤性能的有效途径。电纺丝法制备的纳米纤维直径在几十到几千纳米之间,因此它的过滤能力非常强,由它制成的纤维膜能够很容易地将小于 0.5 μm 直径的细小颗粒过滤掉。静电纺丝法制备的纳米纤维可以制成过滤膜,是具有极大的比表面积、高的孔隙率和良好的力学性能的膜材料,在过滤分离领域有着广阔的应用前景。目前的研究主要集中于高通量过滤、亲和性分离和过滤吸附介质等方面。
3.3  纳米纤维模板和纳米管
近年来人们发现,用电纺丝纳米纤维为模板,将原料包覆在纤维表面,然后再把模板去掉,能得到所需的纳米管。有研究者以纳米纤维作为模板,成功制得了一系列的无机物纳米纤维。把用溶胶―凝胶法制得的无机纳米粒子与高分子溶液均匀混合在一起作为电纺丝的原料,生成的纳米杂化纤维经过高温烧蚀,聚合物发生分解离开纤维表面,同时无机粒子经过高温结晶过程形成了相应的纳米纤维。
3.4  组织工程
静电纺丝纳米纤维广泛应用于生物医药领域。用静电纺丝制得的纳米纤维膜的孔隙尺寸
小于细胞,可模拟天然细胞的外基质结构和生物功能,提供一个适合细胞繁殖和生长的理想
模板。研究表明,由于细胞沿着纤维的伸长方向生长,因而取向纤维膜表面细胞的生长情况
要明显好于无规则取向的纤维膜。动物的组织和器官是以纤维状的形式和结构堆积起来的,
因此聚合物纳米纤维可用于软组织修复如血管修复。纳米纤维膜还是骨缺损修复的良好支架
材料,三维结构对生物生长过程起到了良好的促进作用。到目前为止,可用于静电纺丝制备
纤维作为组织工程支架的材料主要有胶原、甲壳素等天然高分子材料,以及聚乙烯酯及其共
聚物等人工合成高分子材料。
3.5  药物传输
随着静电纺丝技术的发展,特别是同轴静电纺丝技术的问世,聚合物纳米纤维成为一种
新型的药物释放载体。研究表明,纳米纤维由于高的比表面积,其药物释放量比普通膜的药
物释放量要大,并且释放时间也长。常用的聚合物纤维材料主要有纤维素、壳聚糖、聚乳酸
(PLA )或其共聚物。 Kenawy 等人分别研究了氯化四环素在聚 L- 乳酸、聚乙烯-醋酸乙烯以及它们的共混体系中的释放过程,发现在最初的 10 ~12 h 内,释放速度是最快的,这是由于纤维表面的药物能够迅速地释放出来。
3.6  纳米电子器件
导电性高分子纳米纤维研究的最终目的就是制造纳米电子器件。这类纳米纤维中有一种特殊排列的高分子聚集体,通常被称作结晶缺陷,这就使得纤维内的高分子本身就具有传输和转动的功,这一点在纳米器件中有非常大的意义,而且以这些细小的静电纺丝纤维为载体能将纳米器件排布起来,同时它们又能相互连接成大规模的集成电路。 由于电化学反应速度与电极表面积成正比,因此高表面积的导电纳米纤维膜非常适合用来制备高性能电池和多孔电极。Ziegler 以光电染料(铜酞菁)搀杂的聚丙烯腈为原料,得到了柔性光电压膜,有望应用于太阳能电池方面。
3.7  生物催化
生物可降解材料,如纤维素,壳聚糖,聚乳酸等,使用静电纺丝制得的纳米纤维膜,由于其具备了聚合物的特性,可以降解、对人体无害,同时又具备了纳米纤维高比表面积、高强度等特点。Bognitzki 等使用 L- 聚乳酸进行静电纺丝,除了获得直径为纳米级的纤维外,同时也得到多孔性的表面,其作为生物催化载体使用,具有以下优点:1 )大的比表面积,有效地提高了催化剂的负载能力;2 )高孔隙率和良好的孔洞连通性,降低了底物的扩散阻力。因此,利用静电纺丝技术进行酶固化和生物传感器的研究近几年引起了研究人员的广泛关注[5]
  4.静电纺丝技术未来的发展方向
  静电纺丝技术制备的电纺纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、空洞连通性好等特点,而
纳米纤维的三维结构又与天然细胞外基质相似。因此,随着直接溶解聚合物的溶剂体系及电
纺丝技术的不断进步,电纺纤维膜在增强复合材料、过滤分离、组织工程、药物传输、生物
催化等领域有着潜在的应用前景[10~11]
 
5.问题与展望
纺丝溶剂的选择,工艺参数的确定,对纤维的结构有直接的影响,从而密切关系到纤维的性能。选择合适的溶剂,确定合理的工艺条件参数,是静电纺丝研究的关键所在。所以,丝胶的静电纺丝研究,主要围绕着纺丝溶剂的选择,工艺条件和参数的确定而逐步展开。
 
                             
 
参考文献
[1]赵 敏,潘福奎.静电纺丝法浅析,山东纺织科技[J],2010(6):47-50.
[2]李蒙蒙等.静电纺丝纳米纤维薄膜的应用进展, 高分子通报[J], 2010(9): 42-51.
[3]叶春洪,戴红旗. 静电纺丝纤维的研究及应用进展, 纤维素科学与技术[J],2011(2): 76-82.
[4]刘辅庭.静电纺纳米纤维技术的发展动向, 高科技纤维与应用[J],2011(2): 34-38.
[5]周伟涛等.再生桑蚕丝素/醋酸纤维素共混纳米纤维的制备和性能,材料科学与工程学报[J],2011(3): 415-419.
[6]朱海霖.丝素蛋白/硅酸钙复合纳米纤维的结构与性能, 纺织学报[J],2011,32(6): 1-6.
[7]黄建等.静电纺再生丝素蛋白纳米纤维膜的工艺及性能, 丝绸[J],2011(1): 20-23.
[8]王延伟等.柞蚕丝丝素/壳聚糖共混体系的静电纺丝研究, 纤维素科学与技术[J],2010(4): 8-12.
[9]杭怡春等.再生丝素/丝胶共混蛋白水溶液的静电纺丝. 功能材料[J],2011,41(1):108-111.
[10]左保齐等.再生桑蚕丝素/柞蚕丝素蛋白静电纺无纺网结构的研究, 高分子材料科学与工程[J],2007(4):207-210.
[11]张幼珠等.再生丝素/壳聚糖共混纳米纤维的结构与性能, 合成纤维[J],2007(4): 30-33.
 
S tudy  on  Electrospinning of Sericin
Chiyun Wu
(Liaodong University,  Dandong, 118000)
Abstract: In the paper, origin of electrospinning and study development in electrospinning is summarized, and application of new technology on electrospinning is introduced in recent years, and then the development trend is analysed.
Keywords: electrospinning;silk fibroin;sericin ;Application Present Status;development trend
网址:http://www.dgdxs.com/lunwen/huaxue/2012.html
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