CN105420923B - 一种增强纳米纤维膜力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强纳米纤维膜力学性能的方法，包括以下步骤：1)将阳离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液；2)将阴离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液；3)将步骤1)和步骤2)所得的聚电解质溶液以质量比为1:9～9:1的比例共混，搅拌得到静电纺丝前驱液；4)将步骤3)所得的静电纺丝前驱液进行静电纺丝，制得聚电解质复合纳米纤维膜；5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜置于微波反应器中经微波处理。本发明具有操作简单，效果显著，成本低廉，绿色环保的特点，有望用于工业化生产，为快速高效地增强复合纳米纤维膜力学性能提供一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域。具体涉及一种利用静电复合结合微波处理快速高效增强纳米纤维膜力学性能的方法。
背景技术
纳米纤维膜是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料。纳米纤维膜具有尺度小、比表面积大、表面功能化、能够有效调控纤维的精细结构等突出的特性。多功能纳米纤维膜在生物医用材料、过滤防护、传感材料、催化载体、太阳能电池等领域有着良好的应用前景。在实际应用过程中，通常需要目标材料具有多种特性。在纳米材料的制备过程中，可利用两个或以上的组分共混而将各组分具有的特性引入复合材料中，从而赋予了所制备的复合材料多种特性，且弥补了彼此的缺陷。聚电解质是一类分子链中带有许多可离解性基团的聚合物。将阳离子聚电解质和阴离子聚电解质共混，二者之间通过静电相互作用可以形成聚电解质复合物，而聚电解质的形成不仅有利于改善共混材料的力学性能，而且使得制备的复合纳米材料兼具两种聚电解质的性能优势。
虽然纳米纤维膜有很多优越的性能，但是由于纳米纤维膜的孔隙率较高，使得电纺纳米纤维膜的力学性能普遍不佳，因此极大地限制了纳米纤维膜在很多领域的应用。常见的提高纳米材料力学性能的方法有：添加刚性无机纳米粒子、化学交联和热退火处理等。例如，例如授权专利号为CN102794952B的专利中就公开了一种通过碳纳米管(CNT)填料增强增韧纳米纤维膜的方法，虽然该方法可以起到较好的效果，但是无机纳米粒子容易团聚从而影响其进一步应用。公开号为CN104894856A的专利中就公开了一种利用化学交联的方法提升纳米纤维膜的力学性能的方法，该方法虽然可以在一定程度上增强纳米纤维膜的力学性能，但是使用了有毒有害的化学试剂，且存在化学试剂残留，发生副反应等问题。有文献报道，热退火处理纳米材料几个小时就可以在一定程度上提高纳米纤维膜的力学性能。虽然热退火处理可以有效地改善纳米纤维膜的力学性能，但是这种处理方法一般需要高温高压处理几个小时甚至更久，存在能耗高、能量利用率低等缺点。微波是一种电磁波，它比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此能够穿透到介质内部，使得加热更均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用静电复合结合微波处理快速高效增强纳米纤维膜力学性能的方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种增强纳米纤维膜力学性能的方法，其特征为，包括以下步骤：
1)将阳离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液，阳离子聚电解质的质量浓度为1～50wt％；
2)将阴离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液，阴离子聚电解质的质量浓度为1～50wt％；
3)将步骤1)和步骤2)所得的聚电解质溶液以质量比为1:9～9:1的比例共混，搅拌2～10h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
4)将步骤3)所得的静电纺丝前驱液进行静电纺丝，制得聚电解质复合纳米纤维膜；
5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜置于微波反应器中经微波处理。
按上述方案，所述步骤1)中的阳离子聚电解质为壳聚糖、聚乙烯亚胺、壳聚糖季铵化衍生物、聚丙烯酰胺中的任意一种或多种的混合。
按上述方案，所述步骤1)中的良溶剂为盐酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸、丙酮和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或多种的混合。
按上述方案，所述步骤2)中的阴离子聚电解质为果胶、羧甲基纤维素、明胶、透明质酸、阿拉伯树胶中的任意一种或多种的混合。
按上述方案，所述步骤2)中的良溶剂为盐酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸、丙酮、和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或多种的混合。
按上述方案，所述步骤4)中静电纺丝的条件如下：温度为10～60℃，湿度为20～80％，推进速度为0.1～3.0mL/h，电压为10～50kV，喷丝头到接收板的距离为5～30cm。
按上述方案，所述步骤5)中的微波处理的功率为100～1000W，时间为1～10min。
本发明采用阳离子聚电解质和阴离子聚电解质共混，通过静电纺丝技术制备聚电解质复合物纳米纤维膜，然后利用微波处理该聚电解质复合纳米纤维膜，能够快速高效地增强纳米纤维膜的力学性能，且不会改变和破坏纳米纤维膜形貌和结构。该工艺制得的纳米纤维膜兼具两组分的特性，且具有良好的力学特性，其形貌没有被改变，结构没有被破坏，可在生物医用材料、过滤防护、催化载体等领域得到实际应用；本发明的方法具有操作简单，效果显著，成本低廉，绿色环保的特点，有望用于工业化生产，为快速高效地增强复合纳米纤维膜力学性能提供一种新的方法。
附图说明
图1为实施例1聚乙烯亚胺/果胶聚电解质复合纳米纤维膜经微波处理前后的扫描电子显微镜(SEM)图；
图2为实施例2中未处理及经微波处理的壳聚糖、明胶、壳聚糖/明胶聚电解质复合纳米纤维膜的应力-应变曲线；
图3为实施例3中季铵化壳聚糖/阿拉伯树胶聚电解质复合纳米纤维膜(a)，经200W微波处理10min后聚电解质复合纳米纤维膜(b)，经500W微波处理4min后聚电解质复合纳米纤维膜(c)，经800W微波处理1.5min后聚电解质复合纳米纤维膜(d)的抗菌性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明方法。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)将聚乙烯亚胺加入到60wt％的乙酸溶液中制备得到质量分数为1wt％的阳离子聚电解质溶液；
(2)将果胶加入到90wt％的甲酸溶液中制备得到质量分数为50wt％的阴离子聚电解质溶液；
(3)将上述步骤1)和步骤2)所述的聚电解质溶液以质量比为1:9的比例共混，搅拌2h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
(4)将上述配制好的溶液装入注射器中，并固定到静电纺丝装置的推进器上，通过静电纺丝制备聚电解质复合纳米纤维膜；其中静电纺丝的条件如下:纺丝温度为20℃，湿度为20％，推进速度为1.0mL/h，电压为35kV，喷丝头到接收板的距离为10cm；
(5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜在微波反应器中进行微波处理。其中微波处理的功率为200W，处理的时间为10min。
图1是实施例1制得的聚电解质复合纳米纤维膜微波处理前后的SEM图，其中左图为未处理的聚电解质复合纳米纤维膜，右图为经200W微波处理10min后聚电解质复合纳米纤维膜。从图中可以看出，通过静电纺丝成功地制备得到聚电解质复合纳米纤维膜，且该聚电解质复合纳米纤维膜经微波处理后纤维结构未被破坏。
实施例2
(1)将壳聚糖加入到80wt％的乙酸溶液中制备得到质量分数为20wt％的阳离子聚电解质溶液；
(2)将明胶加入到60wt％的甲酸溶液中制备得到质量分数为30wt％的阴离子聚电解质溶液；
(3)将上述步骤1)和步骤2)所述的聚电解质溶液以质量比为2:8的比例共混，搅拌10h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
(4)将上述配制好的溶液装入注射器中，并固定到静电纺丝装置的推进器上，通过静电纺丝制备聚电解质复合纳米纤维膜；其中静电纺丝的条件如下:纺丝温度为40℃，湿度为60％，推进速度为2.0mL/h，电压为25kV，喷丝头到接收板的距离为20cm；
(5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜在微波反应器中进行微波处理。其中微波处理的条件分别为：微波200W功率处理8min；微波400W功率处理6min；微波700W功率处理2min。
图2是实施例2制得的不同纳米纤维膜的应力-应变曲线，其中曲线a为壳聚糖纳米纤维膜，曲线b为明胶纳米纤维膜，曲线c为壳聚糖/明胶聚电解质复合纳米纤维膜，曲线d为经200W微波处理10min后的壳聚糖/明胶聚电解质复合纳米纤维膜，曲线e为经400W微波处理6min后的壳聚糖/明胶聚电解质复合纳米纤维膜,曲线f为经700W微波处理2min后的壳聚糖/明胶聚电解质复合纳米纤维膜。从图中可以看出，聚电解质复合物的形成可以改善单组分纳米纤维膜的力学性能；经微波处理后，力学性能显著增强。
实施例3
(1)将壳聚糖季铵化衍生物加入到70wt％的乙酸溶液中制备得到质量分数为15wt％的阳离子聚电解质溶液；
(2)将阿拉伯树胶加入到40wt％的三氟乙酸溶液中制备得到质量分数为10wt％的阴离子聚电解质溶液；
(3)将上述聚电解质溶液以质量比为5:5的比例共混，搅拌5h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
(4)将上述配制好的溶液装入注射器中，并固定到静电纺丝装置的推进器上，通过静电纺丝制备聚电解质复合纳米纤维膜。其中静电纺丝的条件如下:纺丝温度为30℃，湿度为30％，推进速度为0.8mL/h，电压为15kV，喷丝头到接收板的距离为15cm；
(5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜在微波反应器中进行微波处理。其中微波处理的功率为400W，处理的时间为5min。
图3是实施例3制得的聚电解质复合纳米纤维膜经不同微波处理条件后的抗菌性能图，其中左图为大肠杆菌，右图为金黄色葡萄球菌，图中a为聚电解质复合纳米纤维膜，b为经200W微波处理10min后的聚电解质复合纳米纤维膜，c为经300W微波处理8min后聚电解质复合纳米纤维膜,d为经400W微波处理5min后的聚电解质复合纳米纤维膜。从图中可以看出，按本发明中的方法制备的聚电解质复合纳米纤维膜功能材料对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)具有显著的抗菌效果，其抑菌圈直径分别为12.34±0.34mm和17.68±0.76mm。
实施例4
(1)将聚丙烯酰胺加入到70wt％的盐酸溶液中制备得到质量分数为15wt％的阳离子聚电解质溶液；
(2)将透明质酸加入到60wt％的N,N-二甲基甲酰胺和甲酸混合溶液中制备得到质量分数为10wt％的阴离子聚电解质溶液；
(3)将上述聚电解质溶液以质量比为7:3的比例共混，搅拌4h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
(4)将上述配制好的溶液装入注射器中，并固定到静电纺丝装置的推进器上，通过静电纺丝制备聚电解质复合纳米纤维膜。其中静电纺丝的条件如下:纺丝温度为35℃，湿度为30％，推进速度为3.0mL/h，电压为24kV，喷丝头到接收板的距离为15cm；
(5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜在微波反应器中进行微波处理。其中微波处理的功率为500W，处理的时间为5min。
实施例5
(1)将壳聚糖加入到90wt％的醋酸溶液中制备得到质量分数为30wt％的阳离子聚电解质溶液。
(2)将羧甲基纤维素加入到50wt％的丙酮和乙酸的混合溶液中制备得到质量分数为30wt％的阴离子聚电解质溶液。
(3)将上述聚电解质溶液以质量比为8:2的比例共混，搅拌6h得到均一透明的静电纺丝前驱液。
(4)将上述配制好的溶液装入注射器中，并固定到静电纺丝装置的推进器上，通过静电纺丝制备聚电解质复合纳米纤维膜。其中静电纺丝的条件如下:纺丝温度为30℃，湿度为40％，推进速度为1.2mL/h，电压为16KV，喷丝头到接收板的距离为18cm。
(5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜在微波反应器中进行微波处理。其中微波处理的功率为700W，处理的时间为2min。
Claims (2)
1.一种增强纳米纤维膜力学性能的方法，其特征为，包括以下步骤：
1)将阳离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液，阳离子聚电解质的质量浓度为1～50wt％；所述阳离子聚电解质为壳聚糖、聚乙烯亚胺、壳聚糖季铵化衍生物、聚丙烯酰胺中的任意一种或多种的混合；所述良溶剂为盐酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸、丙酮和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或多种的混合；
2)将阴离子聚电解质加入到其良溶剂中完全溶解得到溶液，阴离子聚电解质的质量浓度为1～50wt％；所述阴离子聚电解质为果胶、羧甲基纤维素、明胶、透明质酸、阿拉伯树胶中的任意一种或多种的混合；所述良溶剂为盐酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸、丙酮、和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或多种的混合；
3)将步骤1)和步骤2)所得的聚电解质溶液以质量比为1:9～9:1的比例共混，搅拌2～10h得到均一透明的静电纺丝前驱液；
4)将步骤3)所得的静电纺丝前驱液进行静电纺丝，制得聚电解质复合纳米纤维膜；
5)将制备的聚电解质复合纳米纤维膜置于微波反应器中经微波处理，微波处理的功率为100～1000W，时间为1～10min。
2.根据权利要求1所述的增强纳米纤维膜力学性能的方法，其特征在于：所述步骤4)中静电纺丝的条件如下：温度为10～60℃，湿度为20～80％，推进速度为0.1～3.0mL/h，电压为10～50kV，喷丝头到接收板的距离为5～30cm。
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