靜電紡絲制備CA納米纖維及其堿處理

宣小會(huì)， 朱思敏， 潘志娟,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215123； 2. 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

靜電紡絲制備CA納米纖維及其堿處理

宣小會(huì)1， 朱思敏1， 潘志娟1,2

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215123； 2. 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(蘇州)， 江蘇 蘇州 215123)

纖維素不易溶于普通溶劑，難以直接靜電紡絲得到纖維素納米纖維(CNF)，故首先采用靜電紡絲制備醋酸纖維素(CA)納米纖維，然后對(duì)其進(jìn)行堿處理以制備CNF，研究了堿溶液組成、濃度及時(shí)間對(duì)處理效果的影響，分析了CA納米纖維和CNF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及熱學(xué)性能。結(jié)果表明，當(dāng)氫氧化鈉堿溶液中v(乙醇)∶v(水)=2∶1、處理液濃度為0.5 mol/L、處理時(shí)間為0.5 h時(shí)，處理效果最佳。經(jīng)過堿處理得到的CNF表面均勻光滑，平均直徑為583 nm，具有纖維素Ⅰ型和Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的特征，無明顯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

醋酸纖維素納米纖維； 纖維素納米纖維； 堿處理； 結(jié)構(gòu)； 性能

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，纖維素作為自然界中取之不盡、用之不竭的天然高分子材料，越來越受到科學(xué)家們的青睞。纖維素納米纖維(CNF)具有來源廣泛、可降解以及高強(qiáng)高模、高比表面積的特點(diǎn)，作為環(huán)境友好的新型材料，其已在復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用前景。

與直接靜電紡絲制備CNF相比，對(duì)醋酸纖維素(CA)納米纖維進(jìn)行堿處理是制備CNF更簡(jiǎn)單的有效途徑。CA可溶于丙酮等普通溶劑，通過靜電紡絲制得粗細(xì)較為均勻的納米纖維，再經(jīng)適當(dāng)?shù)膲A處理，得到CNF。本文選取CA為原料，以丙酮為主要溶劑制得紡絲液，靜電紡絲得到線密度為納米級(jí)的CA纖維制品。然后再對(duì)CA納米纖維進(jìn)行堿處理，以間接制備CNF，探討了堿處理工藝，測(cè)定與分析了CA納米纖維和CNF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及熱學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

醋酸纖維素(CA，美國(guó)Aldrich公司，分子質(zhì)量為3 000)；丙酮(中國(guó)上海試劑總廠)；二甲基乙酰胺(DMAc，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；乙醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；去離子水。

1.2 靜電紡絲制備CA納米纖維

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，分子質(zhì)量為3 000的CA紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為20%，溶劑選用丙酮和DMAc(質(zhì)量比為2∶1)的混合溶液。將澄清透明的CA紡絲液注入玻璃注射器并靜置消泡，調(diào)整針頭與接收屏之間的距離為15 cm，紡絲液的流量為0.2 mL/h。高壓直流電源的正極接針頭，負(fù)極通過接收屏接地，電壓為11 kV，進(jìn)行靜電紡絲。將紡制好的纖維氈從接收屏上取下，在室溫條件下干燥。

1.3 堿處理制備CNF

將靜電紡絲所得CA納米纖維氈置于堿溶液中，浸漬一定時(shí)間后取出，用去離子水沖洗至中性，置于通風(fēng)櫥中自然干燥，得到CNF氈。

1.4 結(jié)構(gòu)和性能的測(cè)定

1.4.1 紅外光譜法測(cè)定堿處理效果

將CA納米纖維氈和CNF氈剪成粉末狀，同KBr混合磨成粉末，制成KBr壓片。利用美國(guó)NicoLET5700型紅外光譜儀檢測(cè)，測(cè)試光譜范圍為4 000～500 cm-1，光譜分辨率優(yōu)于0.25 cm-1。

1.4.2 形貌觀察

將纖維氈放在掃描電子顯微鏡的試樣臺(tái)上，經(jīng)噴金處理后，用日立S-4700型掃描電子顯微鏡觀察并記錄下纖維集合體的形態(tài)，放大倍數(shù)為5 000倍。

1.4.3 纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的測(cè)定

將CA納米纖維氈和CNF氈剪成粉末狀，利用荷蘭PANalytical X′Pert Pro MPD X射線衍射儀，在管電壓為40 kV，管電流為30 mA，衍射角范圍為5°～45°的條件下，記錄得到纖維的X射線衍射強(qiáng)度曲線。使用Peakfit4.1軟件(AISN Software Inc.)，采用高斯-勞倫茲峰形(Gaussian -Lorentzian peak sharp)對(duì)纖維的X衍射強(qiáng)度曲線進(jìn)行峰形擬合，擬合度R2達(dá)0.998以上。根據(jù)結(jié)晶區(qū)的面積和整個(gè)擬合區(qū)的面積(結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)面積之和)的比值計(jì)算得到纖維的結(jié)晶度。

1.4.4 纖維熱學(xué)性能的測(cè)定

將CA納米纖維氈和CNF氈剪成粉末狀，在差示掃描量熱儀上得到試樣的DSC曲線。CA納米纖維氈的測(cè)試溫度為40～300 ℃，CNF氈的測(cè)試溫度為40～250 ℃，升溫速率均為10 ℃/min，氮?dú)夥諊?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 CA納米纖維的堿處理

圖1 CA納米纖維的紅外光譜曲線Fig.1 CA nanofiber Infrared spectrum curve

2.1.1 堿處理溶液選擇

文獻(xiàn)[8]指出NaOH/乙醇溶液的處理效果明顯優(yōu)于NaOH/水溶液，為了探索堿溶液的組成對(duì)處理效果的影響(本文中乙醇和水的混合比例均為體積比)，分別選取堿處理液：NaOH/水、NaOH/乙醇、NaOH/乙醇和水(1∶1)、NaOH/乙醇和水(2∶1)、NaOH/乙醇和水(1∶2)，處理液濃度均為0.05 mol/L，處理時(shí)間為0.5 h。分別用上述5種溶液處理CA納米纖維氈，圖2示出處理后纖維的紅外光譜曲線圖。通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，用NaOH/乙醇和水(2∶1)混合溶液堿處理時(shí)，1 750 cm-1處的特征峰最弱，即CA納米纖維氈的水解程度最大，堿處理效果最為明顯。

圖2 不同組成溶液堿處理后，纖維的紅外光譜曲線Fig.2 Fiber infrared spectrum curves with different alkali solutions

為了進(jìn)一步研究NaOH/乙醇和水(2∶1)的混合溶液是否為堿處理的最佳溶液，本文分析了不同溶液堿處理后纖維氈的厚度及纖維形態(tài)，結(jié)果見圖3和表1。結(jié)果表明，不同堿溶液處理對(duì)纖維直徑的影響區(qū)別不大，因此，CA納米纖維制備CNF的堿處理溶液選擇NaOH/乙醇和水(2∶1)的混合溶液。

2.1.2 堿處理溶液濃度選擇

圖3 不同組成溶液堿處理前后纖維的SEM照片F(xiàn)ig.3 Fiber SEM images with different alkali solutions(a) Original sample; (b) NaOH/H2O; (c) NaOH/CH3CH2OH; (d) NaOH/CH3CH2OH and H2O(1∶1); (e) NaOH/CH3CH2OH and H2O(2∶1); (f) NaOH/CH3CH2OH and H2O (1∶2)

選用濃度分別為0.05、0.1、0.5和1 mol/L的NaOH/乙醇和水(2∶1)混合溶液對(duì)CA納米纖維氈進(jìn)行堿處理，處理時(shí)間均為0.5 h，所得纖維的紅外光譜曲線如圖4所示。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，堿溶液濃度越大，1 750 cm-1處的特征峰消失得越徹底，即濃度越大，堿處理的效果越好，0.5、1 mol/L的處理效果相當(dāng)。堿溶液濃度1 mol/L時(shí)，纖維氈會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的收縮現(xiàn)象。不同濃度溶液堿處理后纖維SEM照片和纖維直徑及纖維氈厚度見圖5和表2。

表1 原樣及不同溶液堿處理后纖維的平均直徑及氈厚度
Tab.1 Fiber mean diameter and fiber mat thickness with different alkali solutions

堿處理溶液纖維直徑/μm纖維氈厚度/μm原樣0737±031485±5NaOH/水0589±022850±3NaOH/乙醇0570±015248±5NaOH/乙醇與水(1∶1)0558±015347±6NaOH/乙醇與水(2∶1)0564±015245±6NaOH/乙醇與水(1∶2)0570±016745±7

圖4 不同濃度溶液堿處理后纖維的紅外光譜曲線Fig.4 Fiber infrared spectrum curves with different alkali solution concentrations

圖5 不同濃度溶液堿處理前后纖維的SEM照片F(xiàn)ig.5 Fiber SEM images with different alkali solution concentrations.(a) Original sample; (b) 0.05 mol/L; (c) 0.1 mol/L; (d) 0.5 mol/L; (e) 1 mol/L

結(jié)果表明，不同濃度堿溶液處理對(duì)纖維直徑的影響不顯著，故由CA納米纖維制備CNF的堿處理液濃度確定為0.5 mol/L。

2.1.3 堿處理時(shí)間選擇

圖6示出0.5 mol/L的NaOH/乙醇和水(2∶1)混合溶液處理CA納米纖維氈0.5、1、2、3、6、9、12、24 h后，纖維的紅外光譜曲線。由圖可見，處理0.5 h后，1 750 cm-1處的特征峰已消失，這表明此時(shí)CA已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素，繼續(xù)延長(zhǎng)處理時(shí)間，相應(yīng)的紅外光譜曲線在1 750 cm-1處并無明顯差異。

表2 原樣及不同濃度溶液堿處理后纖維平均直徑及氈厚度
Tab.2 Fiber mean diameter and fiber mat thickness with different alkali solution concentrations

堿處理濃度/(mol·L-1)纖維直徑/μm纖維氈厚度/μm原樣0737±031485±50050564±015245±6010579±020650±4050583±019652±310//

圖6 堿處理不同時(shí)間后纖維的紅外光譜曲線Fig.6 Fiber infrared spectrum curves with different alkali treatment time

圖7 堿處理不同時(shí)間后纖維的SEM照片F(xiàn)ig.7 Fiber SEM images with different alkali treatment time.(a) Original sample; (b) 0.5 h; (c) 1 h; (d) 2 h; (e) 3 h; (f) 6 h; (g) 9 h; (h) 12 h; (i) 24 h

圖7為堿處理不同時(shí)間后，纖維氈的SEM照片。表3為據(jù)其計(jì)算的纖維平均直徑。結(jié)果表明，堿處理0.5 h后，纖維表面均勻光滑，直徑較原樣有很大程度的下降，進(jìn)一步延長(zhǎng)處理時(shí)間對(duì)纖維直徑的影響不是非常顯著，所以由CA納米纖維制備CNF的堿處理時(shí)間確定為0.5 h。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證堿處理工藝優(yōu)化條件的通用性，采用相同的實(shí)驗(yàn)方案處理普通醋酸纖維素紗，結(jié)果表明，醋酸纖維素紗和醋酸纖維素氈的優(yōu)化工藝基本相同，只是由于醋酸纖維素紗的纖維直徑大于醋酸纖維素氈，故處理時(shí)間略長(zhǎng)，采用濃度為1.0 mol/L的NaOH/乙醇和水(2∶1)的混合溶液處理2 h時(shí)，堿處理效果最佳。

2.2 堿處理前后纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)

圖8示出CA納米纖維(堿處理前)和CNF(堿處理后)的X射線衍射強(qiáng)度曲線。

由圖8可見，CA納米纖維的結(jié)晶峰位置在2θ為9.7°和20°處，而CNF的結(jié)晶峰位置在2θ為12.5°和20.2°處，這表明CA經(jīng)過堿處理后，結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的變化。CNF在2θ為20°處的結(jié)晶峰與CA相比更加銳化，更具有纖維素的結(jié)晶特點(diǎn)。纖維素Ⅰ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的衍射峰位置在2θ為14.8°、16.6°、22.7°處，纖維素Ⅱ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)的衍射峰位置在2θ為12.3°、20.2°和21.9°[11-12]處，因此，CNF具有纖維素Ⅰ型和Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的特征。

表3 原樣及不同時(shí)間堿處理后纖維的平均直徑Tab.3 Fiber mean diameter and fiber mat thickness with different alkali treatment time

圖8 CA納米纖維及CNF的X射線衍射強(qiáng)度曲線Fig.8 X-ray diffraction intensity curves ofCA nanofiber and CNF

CA納米纖維經(jīng)過堿處理轉(zhuǎn)變?yōu)镃NF后，結(jié)晶度也有所改變。CA纖維結(jié)晶度為59.46%，CNF的結(jié)晶度為41%，即經(jīng)過堿處理后，纖維素的結(jié)晶度有所下降，這可能是因?yàn)镃A發(fā)生水解時(shí)化學(xué)鍵斷裂導(dǎo)致的。

2.3 堿處理前后纖維的熱學(xué)性能

圖9示出CA納米纖維(堿處理前)及CNF(堿處理后)的DSC曲線。從曲線可以看出，CA納米纖維明顯具有三態(tài)變化的趨勢(shì)，CA納米纖維的玻璃化溫度(Tg)和熔點(diǎn)(Tm)分別是199.90 ℃和229.19 ℃，熔融吸熱△H為15.70 J/g， CNF的DSC曲線中并不顯示吸熱峰和放熱峰。這種現(xiàn)象表明，CA納米纖維經(jīng)過堿處理后，得到的CNF已變?yōu)榉菬崴苄圆牧?，無明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

圖9 CA納米纖維及CNF的DSC曲線Fig.9 DSC curves of CA nanofiber and CNF

3 結(jié) 論

1)CA納米纖維堿處理的最佳工藝條件為：采用濃度為0.5 mol/L的NaOH/乙醇和水(2∶1)的混合溶液處理0.5 h，處理后得到的CNF表面均勻光滑，平均直徑為583 nm。

2)CA納米纖維經(jīng)過堿處理后，結(jié)晶度有所下降，具有典型的纖維素的結(jié)晶特點(diǎn)，CNF具有纖維素Ⅰ型和Ⅱ型晶體結(jié)構(gòu)的特征。與CA納米纖維不同，堿處理得到的CNF為非熱塑性材料，無明顯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

FZXB

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Preparation and alkali treatment of electrospun CA nanofibers

XUAN Xiaohui1, ZHU Simin1, PAN Zhijuan1,2

(1.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou，Jiangsu215123，China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforModernSilk(Suzhou),Suzhou，Jiangsu215123，China)

Cellulose is difficult to dissolve in ordinary solvents and electrospin into cellulose nano-fibers (CNFs) directly, so the cellulose acetate (CA) nanofibers were prepared by electrospinning firstly, and then subjected to alkali treatment to obtain CNFs. The influences of the composition and concentration of alkali solution and treating time on the treatment result were studied, and the crystal structure and thermal properties of CA nanofibers and CNFs were analyzed. It was found that when the volume fraction of ethanol and water is 2∶1 in the alkali solution with sodium hydroxide (NaOH), with concentration 0.5 mol/L and treating time 0.5 h, the optimum results were achieved. After alkali treatment, the CNFs exhibited smooth and uniform surface with an average diameter of 583 nm and features of celluloseⅠand Ⅱ crystal structures, and had no obvious glass transition temperature.

CA nanofiber; CNF; alkali treatment; structure; performance

0253- 9721(2013)09- 0006- 06

2012-07-23

2013-04-07

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)(2011)6號(hào)); 蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(ZXG2012043)

宣小會(huì)(1988—)，女，碩士生。主要研究方向?yàn)榧{米纖維復(fù)合材料。潘志娟，通信作者，E-mail:zhjpan@suda.edu.cn。

TQ 340.64

A