丝胶基聚丙烯酰胺类纳米纤维的形态及交联性能研究

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静电纺丝纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、孔隙率高、透气率高、透湿度大等特性,已在组织工程支架、过滤分离和药物释放等方面得到广泛应用。目前国内外关于聚丙烯酰胺(PAM)和温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)的研究,多侧重于三维PAM和PNIPAm块状凝胶的制备和应用,而一维材料具有比表面积大、质轻、具有微孔结构等优势,将PAM和PNIPAm纺成纤维,则可克服三维凝胶孔隙率低、比表面积小、吸液率低、响应速率慢等缺点。本论文分别以AM和NIP Am为功能单体,分别在绿色溶剂乙醇/去离子水混合溶剂和纯去离子水中,通过静电纺丝技术制备出PAM和PNIPAm纤维,并以具有生物相容性、生物活性和抗菌性的丝胶蛋白(SS)作为功能单体,制得PAM/SS和PNIPAm/SS复合膜,研究了不同AM单体浓度下PAM纺丝液的分子量、电导率和表面张力,阐明了不同AM浓度、SS/AM质量比和SS/NIPAm质量比下纺丝条件如电压、单体配比和接收距离等因素对PAM、PAM/SS和SS/PNIPAm纳米纤维的结构、形态和性能的影响规律,确定了最佳的纺丝工艺参数,探讨了PAM/SS共混纤维膜的透气性和过滤性能。同时为改善SS/PNIPAm的力学性能,引入生物交联剂京尼平(Genipin),纺制了具有半互穿结构的SS/Genipin/PNIPAm共混纤维膜,初步研究了该共混纤维膜的温度响应性和力学性能。研究结果表明:(1)随AM单体浓度由8 wt%增加到12 wt%,PAM的Mw由1.0×105增加到1.4×105,PAM纤维平均直径由358+100 nm增大到463+100 nm。随SS/AM质量比由1.5 wt%增加至12 wt%,PAM/SS共混纤维由粗细不匀变为均匀光滑。PAM/SS静电纺丝的最佳参数为:纺丝电压15 kV,进液速率1.1 mL/h,接收距离20 cm。SS的引入提高了PAM/SS共混纤维膜的热稳定性,Tg由178.4℃增加到185.8℃,纤维膜的比表面积由42.76 m2/g增加到49.82m2/g,孔容由0.067mL/g减小到0.063 mL/g。随纤维膜厚度由20μm增至:30 μm, PAM/SS共混纤维膜的拉伸断裂强度由1.51 MPa增加至2.32 MPa,透气率由62.4 mm/s下降至24.5mm/s,过滤效率由98.08%增加至98.32%,通过戊二醛蒸汽对PAM/SS共混纤维膜进行交联,处理时间1 mmin效果最好。(2)在水溶液中制备的线性PNIPAm的Mw为399220,Mw/Mn为3.994。随SS/PNIPAm比例由3.57%增至28.60%,混合纺丝液电导率由0.37 mS/cm曾至0.85 mS/cm。PNIPAm静电纺丝的最佳纺丝参数为:纺丝电压20 kV,进液速率0.7 mL/h,接收距离30 cm。PNIPAm纳米纤维形态为扁平状卷曲纤维,平均直径增大到583±100nmo。而 SS/PNIPAm温敏纤维卷曲度下降,纤维为圆状,平均直径为465±100 nm, SS/GNP/PNIPAm温敏纤维为圆状或直线状,有纺锤状缺陷,平均直径为295±100nm。PNIPAm和SS/GNP/PNIPAm纤维的相变温度分别为31.1℃和32.6℃,纤维膜的比表面积为15.46m2/g和15.64m2/g,孔容由0.36mL/g增加到0.46 mL/g。PNIPAm, SS/GNP/PNIPAm温敏纤维在80℃热水中具有良好的拉伸性能,可拉伸至湿态下原长的28倍。
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