毕业设计英译汉

胶体与界面化学A：理化和工程方面静电纺丝法制备聚乙烯醇/海藻酸盐复合纳米纤维及其表征摘要 用静电纺丝法制备聚乙烯醇（PVA）/藻酸盐复合纳米纤维所使用的PVA（10wt.%）/藻酸盐（2wt.%）水溶液混合系统的体积比是100：0,80:20和60：40。由于PVA的生物相容性和可降解性，它可用于众多领域。海藻酸因其众多优点和良好的生物特性成为一种广受关注的天然生物聚合物。这种复合纳米纤维具有可用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）和机械测量等方法进行表征。用X射线衍射、红外光谱和差示扫描量热分析法测得的数据表明，PVA和Alg之间可能存在着有氢键产生的强的相互作用。这个研究表明：Alg在PVAAlg复合纳米纤维中占的百分比越高，起始降解温度越高，就可得到越好的热稳定性，甚至可超越350C。而且，有Alg加入的复合纳米纤维与纯PVA静电纺丝得到纤维相比具有更好的机械性能。关键词：静电纺丝，聚乙烯醇，海藻酸钠，复合，纳米纤维1.引言静电纺丝技术因其能简单高效的生产纳米纤维在学界和业界引起了科学家们的广泛关注。纳米纤维已被发现在生物医学工程、过滤、防护服、催化反应及传感器等各方面显示着巨大的魅力。Doshi和Reneker详细报道了静电纺丝技术的原理。在静电纺丝过程中，由表面张力在毛细管顶端形成的聚合物溶液受到电场的作用。在电场的作用下，液体的表面产生了电荷。相同电荷彼此间产生的斥力直接与表面张力相对抗。随着电场强度的增加，溶液的半球形表面在毛细管的顶端伸长形成锥形，此锥形被称为泰勒锥。当电场强度达到临界值Vc时，液滴受到表面张力和静电排斥力的共同作用。这时，带电的射流从泰勒锥喷射出去。由于射流是带电的，所以它的轨道可以通过电场来控制。射流在电场中螺旋前进，同时被拉伸变细，溶剂挥发，最终形成纤维后被收集于接地的收集屏上，形成非织造布。 复合高聚物为高分子材料理化性质的改进和提高提供了一个非常有用的方法。有些复合高聚物表现出不同寻常的性质。它们与只有均聚物形成的物质高聚物有着截然不同的性质。复合高聚物的组成部分的可溶性是它的一个重要性质，这是因为它影响到物质的力学性能、形态、渗透率和降解性。复合高聚物是物理混合物或共聚物结构不同的聚合物，它们之间通过次价力相互作用，如氢键、偶极-偶极力和电荷转移复合物和均聚物。 PVA是一个半结晶状的亲水性聚合物，具有良好的化学和热稳定性。它具有很好的生物相容性，且无毒，很容易被处理并具有较高的透水性。PVA可以在不同的溶液里形成物理凝胶，这使得PVA能在医学、化妆品、食品、制药和包装产业方面有广泛的应用。它具有较好的灵活性和韧性，是一个典型的合成聚合物，因此通过把它与其它物理性质较差的物质混合可提高它的物理性质。带有官能团的PVA在功能高分子材料的实际调查组织中有用，因为它容易制备块状材料、薄膜和纤维。 文章中的海藻酸盐是一种多糖，它可从海洋藻类中大量提取。众所周知，海藻酸盐是一种共聚物，由-D（M）和-L(G)按各种各样的比率组成，这些组成按嵌段方式组合，构造不仅有单聚合物而且也交替着共聚物。最近，这种碳水化合物聚合物已经被重新评估为吸引人的自然资源，在医学、制药、生物等其它工业应用领域拥有被进一步开发的潜力。目前有大量的文章研究了海藻酸凝胶的物理性质和在产业上的应用，与其相比，只有少量的文章研究了处理海藻酸钠合成聚合物共混物在薄膜形成上的应用。然而，据我们所知，目前著作中尚无用PVA/Alg的混合溶液采取静电纺丝技术制取纳米纤维的报告。 在这项研究中，刚性天然聚合物Alg与柔性的合成聚合物PVA混合，以提高静电纺丝工程中聚合物链段的流动性和提高初始降解的温度及其合成高聚物在高温（350C）下的热稳定性。此外，加入了Alg的复合纳米纤维的机械性能比只用纯PVA通过静电纺丝法制得的有所提高。2.实验部分2.1.实验材料 韩国首尔的DC化工有限公司生产的平均聚合度为1700的PVA（完全水解度、皂化度=99.9%）、Alg原料是粘度为700-900cps从法国德固赛集团有限公司购得、双蒸水用作所有溶液的溶剂。2.2.制备PVA/Alg混合溶液 首先，PVA和Alg单独溶解。在室温下，把Alg(2%质量百分比)溶解在双蒸水中。在80C左右，把PVA溶解在双蒸水中连续搅拌3-4个小时，制得PVA（8%、10%和12% wt）透明溶液。其次，把PVA溶液与Alg溶液混合得到它们的混合溶液，且体积比分别为100/0、80/20和60/40。每一种混合溶液都在室温的条件下搅拌两个小时。2.3.静电纺丝制备PVA/Alg复合纳米纤维 在静电纺丝过程中，通过一个系于针头的鳄鱼夹把高电压（型号CPS-60K02VIT,Chungpa EMT Co,Ltd,Seoul,Korea）施加在PVA/Alg混合溶液上。施加的电压调整到15KV。通过注射泵把溶液送到愚钝的针尖，从而能控制溶液的流速。用接电的铝箔（垂直方向）在离针尖垂直距离15厘米处收集带电纤维。2.4.性能表征 在静电纺丝法制备的PVA/Alg复合纳米纤维用金涂层、X射线衍射、傅里叶红外变换后，可用扫描电镜（型号JSM-6380，JEOL）可对纤维的形态和性能进行描述。纤维直径可用场致发射SEM图和五个纤维样品的图像进行测量。从每张图像，至少是任意选取的20根不同的纤维和100段不同的片段，用Photoshop 5.0软件测这些纤维的直径从而得到它们的平均直径。PVA纤维的热性能可用DSC和TGA技术进行研究。纤维的应力-应变曲线可用Zwick（德国）Z005性能测试仪进行测量。3.结果与分析3.1.PVA/Alg复合纳米纤维的形态 静电纺纳米纤维的形态会受到静电纺丝电压参数包括仪器，针尖到收集屏间的距离和溶液参数如聚合物浓度、混合物质量比和表面张力的影响。改变聚合物浓度可以有效地改变纤维的直径和形态，如图1所示。在固定电压15KV和纺丝距离15cm的条件下，用质量分数为8%、10%、12%的PVA溶液进行试验。试验得出，质量分数为10%的PVA溶液是得到又细又均匀的PVA纤维的理想条件图1.(b)。使用质量分数为10%的PVA溶液与质量分数为2%的Alg溶液按体积比为100:0、80:20和60:40混合可得到直径为50-500nm的均匀纤维图2.(a)和图（c）。然而，在体积比为60:40的混合溶液中可以看到少量的珠丝图2.（c）。采用质量分数为10%的PVA溶液，得到的静电纺PVA/Alg复合纳米纤维的平均直径如图3所示。3.2.机械性能 在研究PVA/Alg复合纳米纤维过程中，我们发现Alg与PVA可形成肉眼可视的清楚均匀的复合纤维，并且复合纤维的杨氏模量和断裂强度比纯PVA纤维的要强。PVA/Alg按不同比例混合得到的复合纳米纤维和纯PVA纳米纤维的应力-应变曲线如图4所示。通过与PVA混合，复合纳米纤维拉伸强度和断裂伸长率都随着Alg含量的增加而增加。这就说明Alg和PVA复合纤维内有特定分子间作用力的存在，正如那些关于丝素/Alg和聚丙烯酰胺/NaAlg等复合系统的报道。3.3.热力学性能 通常，PVA在无氧条件下，无氧高于400度时解聚，最终降解。实际解聚温度取决于聚合物的结构、分子量和构象。Tsuchiya和Sumi报道在245度时PVA链消除水分子形成共轭增强效应结构。此时，可以观察到三个细长的峰在PVA的TGA曲线图中图5.（a）。第一个峰在25-60C是由于水分蒸发形成的，第二个峰在230-380C是由于热降解形成的，第三个峰在430-480C是由于PVA在热降解过程中形成的副产物形成的。由Holland和Hay的报道可知，热降解可能导致乙醛和链烯烃熔融状态末官能团的生成，这将导致重排乙烯酯基的形成。图5.（b）和（c）显示出：用质量百分数为10%的PVA与质量分数为2%的Alg按80/20、60/40的体积比混合得到的PVA/Alg复合纳米纤维有着相似的温度自记曲线趋势。可清楚的得知：在高于350C时用Alg占PVA/Alg混合物较高体积比的溶液制取起始人退化温度和热性能均较好的静电纺复合纳米纤维。 图6表示了纯PVA静电纺丝和PVA/Alg复合纳米纤维按不同体积比混合的差示热量分析温谱图。一个相当大且尖锐的吸热峰在大约222.5C可以看到图6（a）,这个温度即聚合度为1700的纯PVA的溶解温度，这一结果和已有报道数据相吻合。当加入质量分数为2%的Alg溶液，使其占20%和40%体积比时，这种吸收峰的位置就移到了216.5C和 212.5C图6.（b）和图（c）。由于Alg的加入，这样就使得复合纤维的熔化温度降低。这是因为在静电纺丝过程中延伸链的快速凝固，使得大部分的分子链处于非结晶状态。3.4.XRD数据 图7显示了纯PVA静电纺丝及按不同体积比混合的PVA（10%，wt）/Alg(2%,wt)复合纳米纤维的XRD。纯PVA纳米纤维在大约19.3C显示出一个大的结晶峰，这是由于强的分子间、分子内氢键作用形成的图7.（a）。随着Alg在PVA/Alg复合纳米纤维中含量的增加，在大约19.3C时纯PVA的衍射峰的强度变得又低又宽图7（b）和（c）。这表明含有较多Alg的PVA/Alg复合纳米纤维的结晶度比纯PVA静电纺纳米纤维的低。静电纺复合纳米纤维的结晶度降低可能是由于高分子Alg和PVA分子间氢键的作用造成的。X射线衍射表明PVA很可能和Alg通过PVA分子中的羟基和Alg分子中的羧基或羟基之间形成的氢键发生相互作用。因此，随着PVA的加入，Alg分子间作用、结晶结构被阻碍。所以，Alg的静电纺丝性能随着PVA的加入得到了极大的提高。3.5.红外光谱数据 图8显示了静电纺PVA、Alg和不同体积比的PVA（10%，wt）/Alg(2%,wt)复合纳米纤维的红外光谱分析。纯PVA的频率分布如下所示：2944cm-1处是-CH2的伸缩振动峰，1096cm-1处是-C-O基振动峰，和3435cm-1处是侧羟基的伸缩振动峰。另一方面，对于Alg,它羟基的振动峰带在3430cm-1处。值得一提的是，峰带出现在3400cm-1的范围属于羟基的振动峰，峰带出现在1615cm-1和1417cm-1分别属于不对称与对称的-COO-的拉伸振动峰图8.（b）。随着Alg的增加，PVA在849、1096、1336、1440和2944cm-1的吸收峰的强度逐渐降低，由于PVA和Alg的作用一些峰甚至消失图8.（b）。对于Alg,特征峰出现在1615、1417和3430cm-1处，并且这三个峰可在混合光谱中看到图8.(b)。还可观察到，羟基的伸缩振动峰随着Alg的加入而变得很宽。这充分的证明了氢键可在PVA的羟基和Alg的羟基间形成的想法。因此，PVA中的物质可以减弱Alg大分子间的相互作用，从而提高了PVA/Alg复合物的静电纺性。4.结论 本研究结果显示：纯海藻酸钠溶液不能直接用静电纺丝制得连续均匀的纳米纤维。因此，为了克服Alg溶液差的静电纺性，把合成高分子如PVA溶液添加到Alg溶液中可提高它的静电纺性。PVA和Alg分子间通过氢键的相互作用充分提高了复合溶液的可纺性，这样就可纺出均匀、连续的纳米纤维。也可得到这样的结论，由静电纺丝法合成超细PVA/Alg复合纳米纤维的最佳条件是在提供的15KV电压、15cm纺丝距离时，把质量分数为10%的PVA溶液与质量分数为2%的Alg溶液按80：20的体积比混合。Alg在PVA/Alg复合纳米纤维中的百分比越高，热降解的起始温度或高于350C时显示的热稳定性越好。而且，加入了Alg的复合纳米纤维与纯PVA静电纺纳米纤维相比显示出较好的机械性能。