低毒溶剂体系静电纺制备聚乳酸纳米纤维
康卫民1，刘亚1，程博闻2，李全祥2
1. 天津工业大学纺织学院，天津（300160）
2. 天津工业大学“改性与功能纤维”天津市重点实验室，天津（300160）
E-mail:bowen63@https://www.doczj.com/doc/515658657.html,
摘要：本文以低毒1，4-二氧六环/丙酮为溶剂，采用静电纺丝技术制备了聚乳酸聚乳酸纳微米纤维，通过改变共混溶剂的重量比和纺丝液的浓度、电压和接收距离，借助扫描电子显微镜测量纤维的直径，定性分析了各因素对纤维形貌结构的影响。结果表明：纺丝液浓度在4%～10%、纺丝电压12～24kV、接收距离12～24cm变化范围内，能纺制出聚乳酸纳米纤维，纤维直径分布在40～300nm之间,其中1，4-二氧六环/丙酮配比为40：60时,静电纺丝效果最佳。
关键词：静电纺；聚乳酸；纳米纤维1,4-二氧六环/丙酮
1 引言
聚乳酸因具有良好的生物相容性、生物降解性、较好的机械性能及溶解性，在生物医药领域得到了广泛的应用。静电纺丝是目前唯一能够制备微纳米级连续纤维的技术，用它制备的组织工程支架，具有多孔的结构，比表面积大，并且可以模仿细胞外基质的组成和结构，适合于细胞的传输及繁殖[1，2]。近年来，有关聚乳酸及其共聚物的静电纺丝行为及纳米纤维毡在组织工程及药物缓释体系的应用研究受到了广大研究者们的高度重视[3]。目前，利用静电纺技术制备PLA纳米纤维，多采用氯仿，二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂[4-6]，而这些高毒性药品对环境和人危害严重，而且在纤维中残留部分也会对PLA纳米纤维膜造成污染。本文采用1,4-二氧六环（低毒）和丙酮的混合溶剂制备低毒聚乳酸纺丝液体系，经静电纺制备出聚乳酸纳米纤维非织造布，重点探讨了溶液体系和静电纺工艺参数对纤维形貌结构的影响。
2 实验部分
将适量的聚乳酸(美国Natureworks公司)溶于1,4-二氧六环，在55℃左加热搅拌，直至聚乳酸完全溶解，大约2～3小时，再加入定量的丙酮继续搅拌均匀,配制不同溶剂比，经放置脱泡制得纺丝液，将纺丝倒入纺丝管中（针头口径0.8mm），改变溶液体系和工艺参数进行静电纺丝。采用FEI公司生产的QUANTA 200型扫描电子显微镜观察PLA纳微纤维表面形貌结构。
3 结果与讨论
图1为1,4-二氧六环/丙酮几种不同配比下PLA纳米纤维扫描电镜图。可以明显看到1,4-二氧六环/丙酮为30:70和40:60时，纺制出的聚乳酸纳米纤维，尤为1,4-二氧六环/丙酮为40:60时配比直径很细，在40～300nm之间，而且比较均匀，而在配比在50:50和60:40时，不能纺制成纤维。这主要是因为溶剂配比影响了溶剂挥发的性能，当1,4-二氧六环含量太高时，在纺丝过程中挥发较慢，共混溶剂的挥发较差，纤维中溶剂残余量大，纤维之间容易粘结，纤维直径较粗。配比高于50:50时几乎不能纺成纤维。而丙酮含量过高也会使溶液挥发性太强，毛细孔容易堵塞，对纺丝不利，而且丙酮对聚乳酸的溶解性不好，不能溶解高浓度
基金项目：高等学校博士科学点专项科研基金（项目编号：20060058001）
的聚乳酸。
图1 不同溶剂配比下聚乳酸纳米纤维的扫描电镜图：纺丝液浓度为8wt%,接收距离为20cm,电压在18Kv, 流动速率为5ml/h, (A) 30:70; (B) 40:60; (C) 50:50; (D) 60:40
图2是以1,4-二氧六环/丙酮配比为40:60的混合溶剂制备不同浓度的PLA静电纺丝液，静电纺所得的纳米纤维非织造布扫描电镜图。研究发现，PLA质量分数低于3％时，形成的静电纺丝产品是一些高分子微/纳米液滴，在其纺丝过程中观察不到纤维状射流，而是以低浓度溶液的电喷形式出现。从图中可以纺丝液浓度低于6%时，聚乳酸纳米纤维直经很细，但会出现蛛丝现象，当纺丝液浓度增大时，纳米纤维直径也随纺丝溶液浓度的增加而呈上升趋势。
图2 不同浓度纺丝液制得PLA纳米纤维的扫描电镜图: 接收距离为20cm, 电压为18kV, 流动速率为
5ml/h,(A) 3.86%; (B)6%; (C) 8%; (D)10%
图3为电压为15kV～24kV间变化，得到的PLA纳米纤维扫描电镜图。可以看出，随着电压的增加，PLA纳米纤维的平均直径略有下降；但电压的影响没有浓度影响大。但同时也发现电压过高时（24kV），纤维局部出现较大块的粘连，而且纤维直径分布不均匀。这可能是电压越高，溶剂挥发越快，纤维固化速度越快，造成纤维表面溶剂的挥发速度大于溶剂从原液细流中向外扩散的速度，造成表面的溶剂挥发并凝固形成一层表面层，使内层的溶剂挥发受阻，这样溶剂残留量减少的趋势将变缓。随之，固化速度过慢，就会造成纤维在落到收集板时尚未固化完全，形成粘结物。
图3 不同电压下PLA纳米纤维的扫描电镜图：浓度8%，溶剂配比40:60，接收距离20cm，挤出速度5ml/h 下，(A) 15kV；（B）18 kV；（C）21 kV；（D）24 kV
图4是接收距离为12～24cm间变化，得到是不同接收距离下PLA纳米纤维扫描电镜
图。从图可知，随着接收间距离的增加，纤维直径也略有减小。接收距离的增大，对电场的场强有一定降低，但高静电压下，并不足以引起较大变化。反而，接收距离的增大拉长了喷射距离，在一定程度上提高了喷射流的细化、分裂的效果。接收距离的增大也有利于纤维毡中溶剂残留量的降低，收集距离的增大，喷射细流成纤后溶剂蒸发的路程变长，溶剂蒸发量也相应增大。
图4 不同接收距离下PLA纳米纤维的扫描电镜图：浓度8wt%，配比为40:60，电压为18kV，挤出速度5ml/h，
（A）12cm；（B）16cm；（C）20cm；（D）24cm
4 结论
（1）以1,4-二氧六环与丙酮为混合溶剂，重量配比约为40:60时聚乳酸静电纺丝效果较佳，可纺出的PLA纳米纤维直径为40～300nm;
（2）采用1,4-二氧六环/丙酮配比为40:60的混合溶剂，聚乳酸浓度在8%左右，静电纺丝纳米纤维形貌较佳，浓度较低时，易出现蛛丝现象；
（3）随着电压、接收距离的增大，纤维的平均直径下降，但它们的影响不如浓度明显。
参考文献
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Electrospun Polylactide nanofibers through low toxic solvent Kang Weimin1, Li Ya1,Cheng Bowen*2, Li Quanxiang2
1. School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin(300160)
2. Tianjin Municipal Key Lab of Fiber Modification and Functional Fiber, Tianjin Polytechnic
University, Tianjin(300160)
Abstract
Polylactide（PLA）nano fibers was electrospun using low toxic 1,4-dioxane and acetone as co-solvents in this paper. The effect on Surface morphology structure of nano-micro fibers using SEM was analysised qualitatively by adjusting weight ratio of co-solvent, concentration of spinning solution, electrostatic voltage and collecting distance was also discussed. The results showed that PLA with solution concentration 4~10wt% was electrospun into nanofibers with the diameters ranging from 50 to 300nm, the co-solvent weight ratio of 1,4-dioxane and acetone with 40:60 was optimal.
Keywords: Electrospinning; PLA; Nanofibers; 1,4-dioxane /acetone
作者简介：
康卫民：男，讲师，1979年出生，江西吉水人，主要从事静电纺纳米纤维研究工作。