壳聚糖基静电纺纳米纤维的制备和表征

毕 臻 程 凤 夏 蓉 高 晶 王 璐

东华大学 纺织学院(中国)

1 试验材料

壳聚糖(脱乙酰度为92.36%，黏度为180 MPa·s)，浙江金壳生物化学有限公司；聚氧化乙烯(相对分子质量为900 000)，百灵威科技有限公司；冰醋酸(分析纯)，上海凌峰化学试剂公司。

2 试验方法

2.1 静电纺丝溶液的制备

首先，在室温下称取壳聚糖粉末和聚氧化乙烯粉末，二者质量比为90∶10。用质量分数为90%的冰醋酸溶液溶解壳聚糖和聚氧化乙烯的混合物(CS/PEO)，分别制备质量分数为3%、4%和5%的溶液[1]，使用磁力搅拌器搅拌12 h，以保证溶液均一稳定，静置1 h后进行静电纺丝[2]。

2.2 静电纺丝方法

使用安装有20#金属针头的5 mL医用注射器吸入制备好的纺丝溶液，并将其置入推注泵中，开启高压电源。在纤维接收装置上包裹一层铝箔纸，调节推注速率为0.3～0.9 mL/h，纺丝电压为8～25 kV，针尖与铝箔纸相距15～30 cm。通过调整纺丝溶液浓度、纺丝电压和接收距离及环境湿度，探究纤维形态的变化。

2.3 壳聚糖/聚氧化乙烯复合纳米纤维的形貌表征

采用扫描电子显微镜(JEOL JEM-2100， 日本)观测纳米纤维的表面形态，放大比例为1 000、3 000、5 000和10 000倍。使用Adobe acrobat pro软件随机选取纤维的100个测试点，测定纤维直径，并使用Origin8.5软件计算平均直径、直径分布和变异系数。

3 结果与讨论

图1所示为推注速率(v)为0.5 mL/h，纺丝电压(U)为10 kV，接收距离(l)为20 cm，环境湿度(h)为60%时，用不同质量分数(w)的CS/PEO纺丝溶液静电纺制得的纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图。当CS/PEO的质量分数小于2%时，纤维无法成形。其原因是大分子链间缠结不足。CS/PEO质量分数从3%增加到5%时，可获得连续纤维，纤维的平均直径先由(261±35)nm增至(282±50)nm，然后下降为(246±26)nm。当CS/PEO质量分数为5%时，纤维直径的标准偏差减小。然而，当CS/PEO质量分数超过5%时，溶液黏度增大，不易溶解，纳米纤维成形困难[3-4]。

图1 不同质量分数纺丝液所得纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图(U=10 kV， l=20 cm， v=0.5 mL/h， h=60%)

图2所示为推注速率为0.5 mL/h，纺丝电压为10 kV，CS/PEO纺丝溶液质量分数为5%，环境湿度为60%时，不同接收距离下的纳米纤维扫描电镜照片和直径分布图。如图2所示，接收距离为20 cm时，纺出的纳米纤维表现出较好的形态结构且分布均匀。接收距离超过25 cm时，接收效率则较低，所得纤维稀疏。

图2 不同接收距离所得纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图(w=5%， U=10 kV，v=0.5 mL/h，h=60%)

图3所示为CS/PEO纺丝液质量分数为5%，纺丝电压为10 kV，接收距离为20 cm，环境湿度为60%时，不同推注速率下的纳米纤维扫描电镜照片和直径分布图。图3表明，当推注速率为0.5或0.6 mL/h时，纤维的平均直径较大。推注速率为0.7或0.8 mL/h时，纤维平均直径较小。这可能是射流受到拉伸张力影响的时间不同所致。

图3 不同推注速率下所得纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图 (w=5%， U=10 kV， l=20 cm，h=60%)

图4所示为CS/PEO纺丝液质量分数为5%，接收距离为20 cm，推注速率为0.8 mL/h，环境湿度为60%时，不同纺丝电压下的纳米纤维扫描电镜照片和直径分布图。图4显示了纺丝过程中纺丝电压对纳米纤维形态结构的影响。由于射流不稳及溶剂挥发不足，过高的电压会导致“潮湿”纤维及珠状结构的产生，使纤维直径不一致。此外，纺丝电压过低，射流不易分裂，会导致并丝。考虑纳米纤维的形貌特征和一致性，10 kV为较适宜的电压参数值。

图4 不同纺丝电压下所得纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图(w=5%， l=20 cm， v=0.8 mL/h，h=60%)

图5所示为CS/PEO纺丝液质量分数为5%，纺丝电压为10 kV，接收距离为20 cm，推注速率为0.8 mL/h时，不同环境湿度下的纳米纤维扫描电镜照片和直径分布图。

图5显示了不同环境湿度对纤维形态结构的影响。纺丝过程中，当环境湿度大于60%时，出现串珠状纤维。在环境湿度从30%变为60%的过程中，纤维平均直径先增大后减小，其原因可能是射流中的溶剂吸收了周围环境中的水分，而使电导率和射流喷射速度提高。同时，溶剂的挥发使射流在被完全拉伸前很快凝固成纤维，使得纳米纤维的直径增加。随着湿度的升高，射流中的溶剂挥发减慢，带电射流受电场力牵伸较充分，因而纤维直径减小。

图5 不同环境湿度下所得纳米纤维的扫描电镜照片和直径分布图(w=5%， U=10 kV， l=20 cm， v=0.8 mL/h)

4 结论

考虑到静电纺纳米纤维的形态特征和纺丝效率，较适宜的纺丝工艺参数如下：纺丝溶液质量分数为5%，推注速率为0.8 mL/h，接收距离为20 cm，纺丝电压为10 kV，环境湿度不超过30%。