靜電紡紅花納米竹纖維及性能表征

陳 慧

(江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計與管理分院，南昌 330201)

研究與技術(shù)

靜電紡紅花納米竹纖維及性能表征

陳 慧

(江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計與管理分院，南昌 330201)

利用自制靜電紡絲機(jī)紡制紅花納米竹纖維與納米竹纖維，并對其進(jìn)行性能表征。研究表明，紅花納米竹纖維的纖維細(xì)度與纖維粗細(xì)不勻率均高于納米竹纖維，兩種纖維的晶型結(jié)構(gòu)均屬于纖維素II的晶型結(jié)構(gòu)，而紅花納米竹纖維的纖維結(jié)晶度與晶粒尺寸均小于納米竹纖維。紅花納米竹纖維的紅外譜圖中表現(xiàn)出羥基紅花黃色素A相關(guān)基團(tuán)的吸收峰，驗(yàn)證了靜電紡紅花納米竹纖維的可行性。

靜電紡；紅花；納米竹纖維；微觀形貌；分子結(jié)構(gòu)

竹纖維以其優(yōu)異的耐磨、吸濕導(dǎo)汗、易上色、防臭、抗紫外線、抗菌、抑菌等性能，且生長周期短、成本較低，深受廣大人民群眾喜愛，被廣泛應(yīng)用于各類裝飾織物及高檔服裝面料[1-2]。紅花是一種能夠活血化瘀，對腦血栓、冠心病、高血脂、高血壓等有很好抑制作用的中草藥[3-4]。當(dāng)纖維的細(xì)度達(dá)到納米級范圍內(nèi)，纖維的很多性能將得到很大改善。本文通過靜電紡絲機(jī)紡制紅花納米竹纖維，為醫(yī)藥用竹纖維的開發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

竹纖維細(xì)度6.2 dtex，長度36 mm(江蘇大宏紡織集團(tuán)股份有限公司)；CH3OH(山東淄博臨淄東暉化工公司)，NaOH(杭州恒鑫達(dá)化工有限公司)，CH3COOH(西安唐朝化工有限公司)，LiCl(上海海曲化工有限公司)，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc，上海友盛化工科技有限公司)，羥基紅花黃色素A(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98 %，上海譜振生物科技有限公司)，KBr(湖北綠昌化工有限公司)，以上均為分析純。

1.2 儀 器

靜電紡絲機(jī)(自制，其中HV-20kV高精度可調(diào)高壓穩(wěn)壓電源由長春艾克思科技有限責(zé)任公司提供；TYD01-01實(shí)驗(yàn)室注射泵由保定雷弗流體科技有限公司提供；100 mL注射器的針頭內(nèi)直徑為0.45 mm)，DHG-9203A恒溫干燥箱(上海和呈儀器制造有限公司)，JD200-4萬分之一精密分析天平(鄭州宏朗儀器設(shè)備有限公司)，JSM-6360LV型掃描電鏡(日本日立電子有限公司)，HH-8數(shù)顯雙列恒溫水浴鍋(常州中捷實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司)，90-2恒溫定時磁力攪拌器(上海精科實(shí)業(yè)有限公司)，F(xiàn)TIR-650傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(天津港東科技發(fā)展股份有限公司)，XRD-7000型X射線衍射儀(島津公司)。

1.3 方 法

1.3.1 紡絲液的制備

利用DHG-9203A恒溫干燥箱將竹纖維在20 ℃的條件下徹底烘干(烘干的標(biāo)準(zhǔn)為間隔0.5 h，稱量的質(zhì)量差值在0.001 g之內(nèi))，將萬分之一精密天平分別稱取2份竹纖維，每份20 g，將稱取好的竹纖維分別投入到裝有400 g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5 %的NaOH溶液的500 mL燒杯中。將燒杯放置到溫度為100 ℃的恒溫水浴鍋中，沸煮時間為60 min。利用CH3COOH對竹纖維中殘留下的堿液進(jìn)行中和，再用去離子水對竹纖維多次反復(fù)清洗。利用CH3OH將處理過后的竹纖維再次反復(fù)清洗后，放置到裝有200 mL CH3OH的燒杯中45 min。將浸泡后的竹纖維取出，利用DMAc溶液進(jìn)行多次反復(fù)洗滌后，再次將竹纖維投入到裝有200 mL DMAc溶液的燒杯中45 min。將浸泡過后的竹纖維取出，在離心機(jī)甩干后，放置在20 ℃的DHG-9203A恒溫干燥箱徹底烘干。

稱取16 g LiCl投入到裝有溫度40 ℃、質(zhì)量184 g DMAc溶劑的燒杯中，在恒溫磁力攪拌器的作用下充分溶解，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %的LiCl/DMAc溶劑[5]。將配制好的LiCl/DMAc溶劑平均裝到2只200 mL的燒杯中，每只燒杯中的LiCl/DMAc溶劑的質(zhì)量為100 g。將2只燒杯分別放置到溫度60 ℃的恒溫水浴鍋中。分別稱取處理過的竹纖維與羥基紅花黃色素A分析標(biāo)準(zhǔn)品多份，每份0.1 g，然后在1只燒杯中每次投入1份處理后的竹纖維，倒入LiCl/DMAc溶劑中，并用玻璃棒不停的攪拌，直至LiCl/DMAc溶劑體系中呈現(xiàn)凝膠絮狀為止。此時，將裝有LiCl/DMAc溶劑的燒杯從恒溫水浴鍋中取出，放置到溫度為5 ℃的冷凍室中，并繼續(xù)用玻璃棒攪拌，直至所有竹纖維溶解[6]。另1只燒杯中，每次投入1份的竹纖維與1份的羥基紅花黃色素A分析標(biāo)準(zhǔn)品到到LiCl/DMAc溶劑中，并用玻璃棒不停的攪拌，直至LiCl/DMAc溶劑體系中呈現(xiàn)凝膠絮狀為止。同樣，此時將裝有LiCl/DMAc溶劑的燒杯從恒溫水浴鍋中取出，放置到溫度為5 ℃的冷凍室中，并繼續(xù)用玻璃棒攪拌，直至所有竹纖維溶解。

1.3.2 靜電紡絲

利用自制的高壓靜電紡絲機(jī)對制備好的竹纖維凝膠絮狀溶劑與紅花竹纖維凝膠絮狀溶劑進(jìn)行靜電紡絲。紡絲儀器規(guī)格：HV-20kV高精度可調(diào)高壓穩(wěn)壓電源的電壓設(shè)置為20 kV，TYD01-01實(shí)驗(yàn)室注射泵的溶劑進(jìn)量大小為0.2 mL/h，針頭距錫箔的接收距離為20 cm。在20 ℃的條件下，按照體積1︰9將水與CH3OH進(jìn)行混合。將靜電紡制出來的納米竹纖維置于混合液中，將混合液放置在溫度-20 ℃的條件下靜置24 h后取出，在溫度20 ℃的DHG-9203A恒溫干燥箱徹底烘干待用。

1.3.3 形貌觀察

使用JSM-6360LV型掃描電鏡(SEM)在加速電壓為15 kV，試樣噴金時長為90 s，放大倍數(shù)為5 000倍的條件下對靜電紡納米竹纖維纖維與靜電紡紅花納米竹纖維的縱向形貌進(jìn)行觀察。

1.3.4 紅外光譜

利用剪刀將靜電紡納米竹纖維與靜電紡紅花納米竹纖維剪成碎末狀后，與KBr混合研磨成粉末，制成KBr壓片。利用FTIR-650傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀對KBr壓片進(jìn)行紅外光譜數(shù)據(jù)掃描測試。紅外光譜測量范圍為4 000～400 cm-1，掃描分辨率為0.5 cm-1，每個纖維試樣掃描36次。

1.3.5 X衍射

利用剪刀將靜電紡納米竹纖維與靜電紡紅花納米竹纖維剪成碎末狀后，制成纖維碎末壓片。利用XRD-7000型X射線衍射儀，對靜電納米竹纖維與靜電紡紅花納米竹纖維碎末壓片進(jìn)行X衍射數(shù)據(jù)掃描測試。X衍射掃描測試的條件：Cu靶Kα射線；陶瓷X光管，光管電壓為60 kV，光管功率為2.2 kW，光管電流為60 mA；Kα射線波長為0.154 nm；掃描速度為2 °/min；Ni濾波；掃描范圍為5°～45°。

調(diào)用Peakfit 4.0軟件中的Gauss+Lor Area函數(shù)對X衍射數(shù)據(jù)中的結(jié)晶區(qū)與無定型區(qū)進(jìn)行分峰處理，并對其進(jìn)行面積積分(分峰曲線與原X衍射曲線的相似度均高于0.9990)。依據(jù)式(1)[7]及式(2)(Scherer公式[8])分別對靜電納米竹纖維與靜電紡紅花納米竹纖維的結(jié)晶度及晶粒尺寸進(jìn)行計算。

(1)

式中：Xd為試樣纖維的結(jié)晶度，%；Sa為試樣纖維的無定形峰的積分面積；Scr為試樣纖維結(jié)晶峰的積分面積。

(2)

式中：L為試樣纖維的晶粒尺寸，nm；β為試樣纖維衍射峰的半高寬，弧度；λ為X衍射的入射波長，取0.154 nm；k為謝洛常數(shù)，取0.89。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維膜形態(tài)

圖1 靜電紡紡制納米竹纖維膜SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of electrostatic spinning nano-bamboo fiber membrane

靜電紡紡制納米纖維膜SEM照片如圖1所示。利用SEM照片中的比例尺對靜電紡納米竹纖維與靜電紡紅花納米竹纖維的直徑及不勻率進(jìn)行計算，結(jié)果如表1所示。從表1計算數(shù)據(jù)可知，靜電紡紅花納米竹纖維最大直徑、最小直徑、平均直徑及不勻率均高出靜電紡納米竹纖維30.65 %、26.39 %、33.67 %和40.74 %。從圖1也可以明顯看出，靜電紡納米竹纖維的纖維縱向表面光滑，粗細(xì)較為均勻，而靜電紡紅花納米竹纖維略顯扁平狀。這是由于在紡絲液中加入羥基紅花黃色素A后，紡絲液在紡絲過程中，凝膠絮狀的體系很難保障連續(xù)的穩(wěn)定的液體分化狀態(tài)而出現(xiàn)粒狀結(jié)構(gòu)，從而使得紡制出來的納米紅花竹纖維的粗細(xì)不勻率增高。同時，由于羥基紅花黃色素A的加入，使得紡絲液在靜電場中受到的靜電場力的均衡性受到影響，因此也造成了纖維不勻率的增加。雖然靜電紡紅花納米竹纖維的纖維直徑與纖維的不勻率相對于靜電紡納米竹纖維偏高，但是就纖維的可紡性來說，還是處在可加工范圍內(nèi)的。

表1 靜電紡紡制納米竹纖維直徑參數(shù)Tab.1 Diameter parameter of nano-bamboo fibers prepared by electrostatic spinning

2.2 紅外光譜

紅外譜測試曲線如圖2所示。通過對比靜電紡納米竹纖維與羥基紅花黃色素A紅外光譜曲線可以明顯看出，靜電紡紅花納米竹纖維在827 cm-1與3 013 cm-1附近的吸收峰為芳香基團(tuán)振動引起的，C—O—C面外對稱伸縮振動在1 139～1 033 cm-1附近引起了較強(qiáng)的吸收峰。C=C面內(nèi)彎曲振動在1 342 cm-1附近引起較強(qiáng)的吸收峰，在1 505 cm-1附近與1 590 cm-1附近的—OH的彎曲振動的吸收峰也證明了芳香基團(tuán)的存在。在1 624 cm-1附近的C=O的伸縮振動證明了醌基的存在，在1 735 cm-1附近的吸收譜帶為酮羰基的伸縮振動所引起，在3 222 cm-1附近、3 354 cm-1附近與3 444 cm-1附近的吸收譜帶為—OH的伸縮振動所引起。

圖2 靜電紡紡制納米竹纖維紅外光譜曲線Fig.2 FTIR curve of nano-bamboo fibers prepared by electrostatic spinning

綜上所述可以看出，在LiCl/DMAc溶劑中加入羥基紅花黃色素A，通過靜電紡制出來的紅花納米竹纖維依然保持了羥基紅花黃色素A特性，驗(yàn)證了紡絲液中加入羥基紅花黃色素A進(jìn)行靜電紡制紅花納米竹纖維的可行性。

2.3 晶態(tài)結(jié)構(gòu)

圖3 靜電紡紡制納米竹纖維X衍射曲線Fig.3 X-ray diffraction curves of nano-bamboo fibers prepared by electrostatic spinning

3 結(jié) 論

通過靜電紡絲機(jī)紡制紅花納米竹纖維與納米竹纖維，并對其進(jìn)行性能表征可知，紅花納米竹纖維的纖維細(xì)度與纖維粗細(xì)不勻率均高于納米竹纖維。兩種纖維的晶型結(jié)構(gòu)均屬于纖維II的晶型結(jié)構(gòu)，而紅花納米竹纖維的纖維結(jié)晶度與晶粒尺寸均小于納米竹纖維。同時紅花納米竹纖維的紅外譜圖中表現(xiàn)出羥基紅花黃色素A相關(guān)基團(tuán)的吸收峰，也驗(yàn)證了靜電紡紅花納米竹纖維的可行性。

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Study on Electrostatic Spinning Safflower Nano-Bamboo Fiber and Its PropertyCharacterization

CHEN Hui

(School of Clothing Design and Management, Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Safflower nano-bamboo fibers and nano-bamboo fibers were made by electrostatic spinning machine, and their properties were characterized. Studies show that fiber fineness and fiber thickness irregularity of safflower nano-bamboo fibers are both higher than those of nano-bamboo fibers; crystal structure of both fibers belongs to crystal structure of cellulose II. However, crystallinity and grain size of safflower nano-bamboo fibers are both lower than those of nano-bamboo fibers. Meanwhile, absorption peak of relevant chemical group of hydroxysafflor yellow A appears in the FTIR spectrum of safflower nano-bamboo fibers, which verifies the feasibility of safflower nano-bamboo fiber preparation by electrostatic spinning.

electrostatic spinning; safflower; nano-bamboo fibers; micro-morphology; molecular structure

2015-06-29;

2015-11-02

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.12.003

TQ340.64

A

1001-7003(2015)12-0012-04 引用頁碼: 121103