静电纺丝素蛋白及制备增强型复合纳米纤维的研究

论文摘要

静电纺丝是制备超细纤维和纳米纤维的一种常用方法,以天然或者合成聚合物为原料,可以制备出直径从几十纳米至几微米的纤维。静电纺丝的过程是在高压的条件下使聚合物产生带点射流,射流在电场中被拉伸,溶剂挥发,凝固形成纤维收集在接收板上。利用静电纺丝制备的纳米纤维所构成的膜具有三维多孔结构,比表面积大且孔隙率高,可以应用在组织工程支架及生物医用材料领域。本课题以再生丝素蛋白（SF）为基质,桑皮纳米纤维素晶须（CNW）为增强剂,采用静电纺丝的方法制备了增强型再生丝素蛋白复合纳米纤维。桑蚕丝素蛋白是一种天然的高分子材料,具有良好的生物相容性、氧气和水蒸气渗透性、生物可降解性并且在体内有最小的炎症反应等优点,所以被视为理想的生物材料,但再生丝纤维的力学性能与天然的蚕丝纤维或者蜘蛛丝相比,还有一定的差距,所以进一步改善再生丝纤维的力学性能具有重要的研究意义。本课题研究主要包括以下两个方面:首先研究了纺丝液质量分数、电压、极距、纺丝液流速和电导率等因素对静电纺再生丝素蛋白纳米纤维直径和形貌的影响,找出最佳的工艺条件,并且探讨了经乙醇处理后的纤维结构和性能的变化。结果表明:纤维直径随纺丝液质量分数的增大而增大,随电压的增大而减小,随极距和纺丝液流速及电导率的变化直径都有不同的变化,经过乙醇处理后纤维结构β折叠结构的比例明显提高;其次,选用桑皮纳米纤维晶须作为增强剂,因为纳米纤维素晶须的杨氏模量和抗张强度比纤维素有指数级的增长,已被用作复合材料、电极等的纳米增强剂,以甲酸为溶剂,将桑皮纳米纤维素晶须和再生丝素蛋白以不同的比例在适当的工艺条件下进行混纺,制备了CNW/SF增强型复合纳米纤维。利用FE-SEM研究了CNW/SF复合纳米纤维的形貌和直径变化。结果表明,随着添加CNW的量不同,纳米纤维的直径从250 nm减小到75～160 nm,且纤维表面比较光滑。通过TEM研究了CNW在纳米纤维中的取向分布,可以观察到CNW在纳米纤维中沿着轴向分布。通过拉伸试验机对复合纤维进行力学性能测试,结果表明,加入CNW后纳米纤维的力学性能得到了显著的提高,当CNW的含量为2%时,纤维的拉伸强度和杨氏模量增加了约2倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 静电纺制备纳米纤维的研究进展
• 1.1.1 静电纺丝的基本原理
• 1.1.2 静电纺丝的影响因素
• 1.1.3 静电纺丝制备纳米纤维研究的现状
• 1.2 再生丝素蛋白静电纺丝的研究进展
• 1.2.1 再生丝素蛋白的结构与性能
• 1.2.2 再生丝素蛋白的静电纺丝
• 1.3 静电纺制备增强型复合纳米纤维的研究进展
• 1.3.1 静电纺制备各种增强型复合纳米纤维
• 1.3.2 静电纺制备增强丝素蛋白复合纳米纤维
• 1.4 本课题的研究目的及主要研究内容
• 1.4.1 研究目的及创新点
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 纺丝工艺条件对静电纺再生丝素纤维形貌和直径的影响
• 2.1 实验材料与方法
• 2.1.1 实验材料与仪器
• 2.1.2 再生丝素膜的制备
• 2.1.3 静电纺丝制备再生丝素纳米纤维
• 2.1.4 再生丝素纳米纤维的后处理及形貌表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 工艺参数对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.1.1 纺丝液质量分数对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.1.2 纺丝电压对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.1.3 接收距离对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.1.4 纺丝流速对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.1.5 NaCl 含量对丝素蛋白纳米纤维的形貌和直径的影响
• 2.2.2 丝素蛋白纳米纤维的性能
• 2.2.2.1 丝素蛋白纳米纤维结构变化
• 2.2.2.2 丝素蛋白纳米纤维膜吸水透湿性
• 2.2.2.3 丝素蛋白纳米纤维力学性能
• 2.3 本章小结
• 第三章 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维的制备和性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验材料与仪器
• 3.2.2 再生丝素蛋白/甲酸/桑皮纳米纤维素晶须复合纳米纤维的制备
• 3.2.2.1 再生丝素蛋白/甲酸/桑皮纳米纤维素晶须三元溶液的制备
• 3.2.2.2 再生丝素蛋白/甲酸/桑皮纳米纤维素晶须复合纳米纤维的制备
• 3.2.3 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维形貌观察
• 3.2.3.1 桑皮纳米纤维晶须形貌观察
• 3.2.3.2 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维表面观察
• 3.2.3.3 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维截面观察
• 3.2.3.4 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维的结构性能
• 3.2.3.5 桑皮纳米纤维素晶须/再生丝素蛋白增强型复合纳米纤维拉伸性能测试
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 桑皮纤维化学成分分析
• 3.3.2 三元纺丝液的制备及性能研究
• 3.3.3 桑皮纳米纤维晶须形貌观察
• 3.3.4 桑皮纳米纤维素晶须/丝素蛋白增强型复合纳米纤维的表面形貌
• 3.3.5 桑皮纳米纤维素晶须/丝素蛋白增强型复合纳米纤维的截面形貌
• 3.3.6 桑皮纳米纤维素晶须/丝素蛋白增强型复合纳米纤维的结构红外光谱分析
• 3.3.7 桑皮纳米纤维素晶须/丝素蛋白增强型复合纳米纤维的力学性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文