CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕士生课程论文 题目静电纺丝法简介 学生姓名张辉华 学号133511018 指导教师秦毅红 学院冶金与环境学院专业冶金工程 完成时间2014.5.27
静电纺丝法简介 摘要：静电纺丝法是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝，作为一种新颖的纳米纤维制备方法，具有许多一般纳米纤维制备法没有的优点，在国内外一直引起广泛的关注。本文主要是介绍了静电纺丝的基本原理以及研究重点，同时简要地介绍了此方法在电池材料一起其他材料上的应用。 前言 静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。静电纺丝技术在1934年首先由Formhals[1]提出, 随后的相当长一段时间又有多项专利出现。近年来，随着纳米材料研究的兴起，人们发现由电纺制得的纤维的直径可以达到纳米级，使得这种技术重新受到重视并出现了大量的文献[2]。目前, 主要是从事材料、化工和高分子领域的科学家在研究静电纺丝。 1 静电纺丝实验装置与基本原理 1.1 电纺过程 所需设备高压电源，溶液储存装置，喷射装置( 如内径 1 mm 的毛细管) 和收集装置( 如金属平板、铝箔等) 。图1为传统的单纺装置。 图1 经典的静电纺丝装置示意图
高压静电场(一般在几千到几万伏) 在毛细喷丝头和接地极间瞬时产生一个电位差，使毛细管内聚合物溶液或者熔融体(一般为非牛顿流体) 克服自身的表面张力和粘弹性力，在喷丝头末断呈现半球状的液滴。随着电场强度增加，液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过一临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流(一般流速数m/s)，在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者循螺旋形路径行走，伴随溶剂挥发或熔融体冷却固化，终落在收集板上形成纤维，直径一般在几十纳米到几微米之间。 除去传统的单纺丝还有其他的一些纺丝方式，如同轴静电纺丝，共轴复合纺丝就是将两种不同聚合物溶液预先不经混合, 而是各自在电场力的驱动下共轴 喷射经过同一个毛细管或注射器针头出口，得到连续的复合纤维的方法，该纤维具有核-壳结构。共轴复合纺丝设备如图2(a)所示，核-壳结构纤维如图2(b)所示。 图2 同轴纺丝和复合纤维形貌 同轴纺丝能直接接一步制备复合微/纳米线，可以制备医用复合纳米线、空心纳米管，这种方法制备出来的材料品质要明显优于涂覆法制备的材料。此外可以将碳纳米管与挥发性溶剂混合液用作内纺液, 将聚合物溶液用作外纺液, 利用溶剂的挥发性就可以携带碳纳米管渗透到外层聚合物中, 形成连续的碳纳米管增强 的复合纳米纤维。
醋酸纤维薄膜的应用--Clarifoil Clarifoil概述 Clarifoil既是产品醋酸纤维薄膜的商品名称，也是公司名 称，它具有很强的品牌识别度和悠久的历史。 Clarifoil公司一直致力于二醋酸纤维素薄膜复合印刷，丙酸，复 合膜， PVC膜，隔热膜，玻璃纸，以及其他包装薄膜的生产。 其使用的材料可回收再利用，生物降解，焚烧后对大气无污染。而且Clarifoil耐磨薄膜能大幅度降低包装磨擦带来的损耗。 醋酸纤维薄膜的应用--Clarifoil 复合膜，珠光膜--清晰度极高覆膜印刷，哑光膜以及半哑光膜 Satiné 和Semitone Clarifoil公司的产品品质是很多企业难以 项望其背的。清晰度极高的亮膜使得覆膜后的产品更熠熠升辉， 而哑光膜则赋予了包装沉稳高雅的效果。如果要想覆膜后有丝质 的效果，那么可以选择其他两种半哑光膜，一种是缎面，可用作 设计香水盒子，另一种是Semitone，它结合了精致的外表和高级 触感的特性，可用于化妆品盒子，公司介绍，饭店菜单，CD封面 和销售宣传单的覆膜。 所有Clarifoil出品的复合膜都显示了其先进的防划痕防标记性 能。而且，semitone独一无二的表面处理使其甚至可以防指纹印迹。所有用于印刷覆膜的复合膜都可以烫金，上胶和直接印刷，而且不需要做任何的预涂。 事实上，独立调查显示Clarifoil加强了复合膜的可循环利用的能力。Clarifoil 的灵活的生产方式促使其可以制造更多独特的特性，例如珠光膜(珠光薄膜是一种混合了不同颜色的透明复合膜，覆膜后仍可以看到原来底纸的颜色但是复合膜为整体添加了绝佳的光泽和颜色效果)和颜色膜。 带透明薄膜的硬纸盒--特别应用于食物包装 装在Clarifoil所生产的有透明薄膜的包装盒中售卖的商品的范围十分广泛：从意大利面条到香水，从衬衫到巧克力。 在货架上，奢侈品包装材料可以展示其产品最好的一面用以提高销售量。因此，透明薄膜的品质对此起到十分关键的作用。为加强消费者的兴趣，Clarifoil具备完全的透明度，表面光滑，并有良好的防痕
木质素lignin 木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。因单体不同，可将木质素分为3种类型： 从植物学观点出发，木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质，并使这些细胞具有特定显色反应（加间苯三酚溶液一滴，待片刻，再加盐酸一滴，即显红色）的物质。 在亚硫酸盐法生产纸浆的工艺中，正是由于亚硫酸盐溶液与木粉中的原本木质素发生了磺化反应，引进了磺酸基，增加了亲水性，而后这种木质素磺酸盐在酸性蒸煮液中进一步发生水解反应，使与木质素结合着的半纤维素发生解聚，从而使木质素磺酸盐溶出，实现了木质素、纤维素与半纤维素的分离，得到了纸浆。 半纤维素hemicellulose 植物细胞壁中与纤维素紧密结合的几种不同类型多糖混合物。包括木聚糖、木葡聚糖和半乳葡萄甘露聚糖等。 半纤维素：是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。
半纤维素与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。任何植物原料的化学制浆工业处理中，在脱木素的同时半纤维素也会发生酸性水解或碱性水解、剥皮反应和氧化反应等，蒸煮溶出的半纤维素又可再沉积吸附于纸浆上，在制纤维素衍生物用浆时则须尽量除去半纤维素。 半纤维素与纤维素间无化学键合，相互间有氢键和范德瓦耳斯力存在。半纤维素与木素之间可能以苯甲基醚的形式连接起来，形成木素－碳水化合物的复合体。
纤维素衍生物在食品行业的应用 曹国宝 （海南大学材料与化工学院，海南海口570228） 摘要：长期以来,纤维素及其衍生物作为一种丰富的可再生的生物能源广泛地应用于现代工业。而其在食品领域也有重要的发展与应用。本文本文从纤维素的结构、性质谈起，选述纤维素及其衍生物的显著特点和在食品工业目前的研究现状。 关键词：纤维素衍生物，食品，应用 Cellulose derivate’s application in food industry CAO Guo-bao (College of material and chemistry,Hainan university,Haikou 570228) Abstract: As a kind of abundant and reproducible biological resources , celluloses and its derivate are widely used in modern industry for a long time. Especially its application in the food industry. this paper start with cellulose structure and properties, summerise cellulose an its derivate’s properties and ist development in the food industry Key words:cellulose derivate,food,application 一．简介 纤维素（cellulose）在自然界分布很广，是构成植物的主要成分，如棉花中约含90%以上，木材中约含50%。纤维素的纯品无色无味无臭，不溶于水和一般有机溶剂。与淀粉一样，纤维素也具有还原性[1]。纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量约50000～2500000，相当于300～15000个葡萄糖基脱水葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n, 其化学组成含碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%。纤维素比淀粉难水解一般需要在浓酸中或用稀酸在加压条件下进行，在水解过程中可以得到纤维四糖，纤维三糖和纤维二糖等，但水解的最终产物也是D-（+）-葡萄糖，其结构式可以表示如下[2]： 主要可进行的反应有 1．纤维素中的羟基能与酸生成纤维素酯(cellulose ether) 1．纤维素与碱作用生成纤维素钠盐，然后与卤代烃反应生成纤维素醚(cellulose ester) 本报告中涉及较多的是两种物质：羟丙甲基纤维素（hydroxypropylmethy cellulose,HPMC）和羧甲基纤维素（CMC）。HPMC属于非离子型纤维素混合醚中的一个品种，具有冷水溶性和热水不溶性的特征，但由于含有羟丙基，使它在热水中的凝胶化温度较甲基纤维素大大提高，在有机头溶剂中较甲基纤维素良好，能溶于丙酮、异丙醇和双丙酮等有机溶剂中。它的粘度在温度升高时开始下降，但至一定温度时则粘度突然上升而发生凝胶化。CMC时是最具代表性的离子性纤维素醚，通常使用的是它的钠盐，纯净的CMC系白色或乳白色纤维状粉末或颗粒，无嗅无味，不溶于酸和甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、及苯等有机溶剂，而溶于水。CMC的粘度通常在25-50Pa.S之间，取代度在0.3左右。CMC 具有吸湿性，其平衡水分随着空气湿度的升高而增加，随温度的升高而减少[2]。 二．在食品业的发展或应用 1．制作可食用膜 纤维素系列食用膜(edible films)有良好的成膜性质,制得的可食性膜能够阻止食品吸水
静电纺丝技术的工艺原理及应用 静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心是使带电荷流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质，从而为高分子成为纳米功能材料提供了一种新的加工方法。由于纳米纤维具有许多特性，例如纤维纤度细、比表面积大、孔隙率高，因而具有广泛的应用。 1、静电纺技术 静电纺是一项简单方便、廉价而且对环境无污染的纺丝技术。早在20世纪30年代，Formals A就已经在其专利中报道了利用高压静电纺丝，但是直到近些年，由于对纳米科技研究的迅速升温，激起了人们对这种可制备纳米尺寸纤维的纺丝技术进行深入研究的浓厚兴趣。 1.1 静电纺技术的基本原理 静电纺丝技术(Electrospinning fiber technique)是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。对聚合物纤维电纺过程的图式说明见图1。 静电纺丝机的基本组成主要有3个部分：静电高压电源、液体供给装置、纤维收集装置。静电高压电源根据电流变换方式可以分成DC／DC和AC／DC两种类型，实验中多用IX；／DC电源。液体供给装置是一端带有毛细管的容器(如注射器)，其中盛 有高分子溶液或熔体，将一金属线的一端伸进容器中，使液体与高压电发生器的正极相连。纤维收集装置是在毛细管相对端设置的技术收集板，可以是金属类平面(如锡纸)或者是旋转的滚轮等。收集板用导线接地，作为负极，并与高压电源负极相连。另外随着对实验要求的提高，液体流量控制系统也被渐渐的采用，这样可以将液体的流速控制得更准确。电场的大小与毛细管口聚合物溶液的表面张力有关。由于电场的作用，聚合物溶液表面会产生电荷。电荷相互排斥和相反电荷电极对表面电荷的压缩，均会直接产生一种与表面张力相反的力。当电场强度增加时，毛细管口的流体半球表面会被拉成锥形，称为Taylor锥。进一步增加电场强度，是用来克服表面张力的静电排斥力到达一个临界值，此时带电射流从Taylor锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过不稳定拉伸过程，
一：纤维素的结构分类及应用： 1）纤维素的结构： 2）纤维素的分类： 根据其在特定条件下的溶解度,可以分级为:α—纤维素，β-纤维素，γ-纤维素，α—纤维素指的是聚合度大于200的纤维素,β-纤维素是指聚合度为10一200的纤维素,γ-纤维素是指聚合度小于10的纤维素。 3）纤维素的应用： 纤维素是一多羟基葡萄糖聚合物,经过特定的物理或化学改性后,具有不同的功能特性,可以粉状，片状，膜，纤维以及溶液等不同形式出现,因此用纤维素开发的功能材料极具灵活性及应用的广泛性。 3.1 高性能纤维材料： 纤维素纤维是现代纺织业的重要原料之一,同时也是纤维素化工和造纸业的重要原料，当前,纸己经成为社会发展的必需品,不仅大量应用于印刷，日用品及包装物,还可以用于绝缘材料，过滤材料以及复合材料等领域,具有广泛而重要的用途。 3.2 可生物降解材料
纤维素能够作为可降解材料的基材使用,因为纤维素具有很多独特的优点:(1)纤维素本身能够被微生物完全降解;(2)维素大分子链上有许多轻基,具有较强的反应性能和相互作用性能,使得材料便于加工,成本低,而且无污染;(3)纤维素具有很强的生物相容性;(4)纤维素本身无毒,可广泛使用，由于纤维素分子间存在很强的氢键,而且取向度和结晶度都很高,使得纤维素不溶于一般溶剂，高温下分解而不融,所以无法直接用来制作生物降解材料,必须对其进行改性，纤维素改性的方法主要有醋化，醚化以及氧化成醛，酮，酸等。纤维素生物降解材料应用广泛,例如园艺品，农，林，水产用品，医药用品，包装材料及光电子化学品等,这里要特别提出的是纤维素在医学，光电子化学，精细化工等高新技术领域应用的更好西川橡胶工业公司研制开发的纤维素，壳聚糖系发泡材料存在很好的应用前景,其特点是重量轻，绝热性好，透气，吸水等,这些特点使其广泛应用于农业，渔业，工业，包装，医疗等各个领域。 3.3 纤维素液晶材料： 天然纤维素及其衍生物液晶是一类新颖的液晶高分子材料，和其它的纤维素衍生物液晶相比,新型的复合型纤维素衍生物液晶在纤维素大分子链中引入了刚性介晶基元,使得控制其液晶性质能够成为现实"这同时就为开发具有特殊性能的液晶高分子提供了新的研究领域,并且其相应的理论基础研究对探索高分子液晶的形成也有十分重要的指导意义，另外,由于天然纤维素是自然界取之不尽，用之不竭的可再生天然高分子,那么在石油及能源日益枯竭的今天,我们就很有必
一.结构 纤维素是一种重要的多糖，它是植物细胞支撑物质的材料,是自然界最非丰富的生物质资源。在我们的提取对象－农作物秸秆中的含量达到450－460g/kg。纤维素的结构确定为β-D-葡萄糖单元经β－（1→4）苷键连接而成的直链多聚 体，其结构中没有分支。纤维素的化学式：C 6H 10 O 5 化学结构的实验分子式为 （C 6H 10 O 5 ） n 早在20世纪20年代，就证明了纤维素由纯的脱水D-葡萄糖的重复 单元所组成，也已证明重复单元是纤维二糖。纤维素中碳、氢、氧三种元素的比例是：碳含量为％，氢含量为％，氧含量为％。一般认为纤维素分子约由8000～12000个左右的葡萄糖残基所构成。 O O O O O O O O O 1→4）苷键β-D-葡萄糖 纤维素分子的部分结构（碳上所连羟基和氢省略）二．天然纤维素的原料的特征 做为陆生植物的骨架材料，亿万年的长期历史进化使植物纤维具有非常强的自我保护功能。其三类主要成分－纤维素、半纤维素和木质素本身均为具有复杂空间结构的高分子化合物，它们相互结合形成复杂的超分子化合物，并进一步形成各种各样的植物细胞壁结构。纤维素分子规则排列、聚集成束，由此决定了细胞壁的构架，在纤丝构架之间充满了半纤维素和木质素。天然纤维素被有效利用的最大障碍是它被难以降解的木质素所包被。 纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键，半纤维素和木质素之间除了氢键外还存在着化学健的结合，致使半纤维素和木质素之间的化学健结合主要在半纤维素分子支链上的半乳糖基和阿拉伯糖基与木质素之间。 表：植物细胞壁中纤维素、半纤维素、和木质素的结构和化学组成
项目纤维素木质素半纤维素 结构单元吡喃型D－葡萄 糖基G、S、H D-木糖、苷露糖、L-阿拉伯糖、 半乳糖、葡萄糖醛酸 结构单元间连接键β-1,4-糖苷键多种醚键和C-C 键，主要是 β-O-4型醚键 主链大多为β-1,4-糖苷键、 支链为 β-1,2-糖苷键、β-1,3-糖苷 键、β-1,6-糖苷键 聚合度几百到几万4000200以下 聚合物β-1,4-葡聚糖G木质素、GS木质 素、 GSH木质素木聚糖类、半乳糖葡萄糖苷露聚糖、葡萄糖甘露聚糖 结构由结晶区和无 定型区两相 组成立体线性 分子α不定型的、非均一 的、非线性 的三维立体聚合 物 有少量结晶区的空间结构不 均一的分子，大多为无定型 三类成分之间的连接氢键与半纤维素之间 有化学健作用 与木质素之间有化学健作用 天然纤维素原料除上述三大类组分外，尚含有少量的果胶、含氮化合物和无机物成分。天然纤维素原料不溶于水，也不溶于一般有机溶剂，在常温下，也不为稀酸和稀碱所溶解。 三．纤维素的分类 按照聚合度不同将纤维素划分为：α-纤维素、β-纤维素、γ-纤维素，据测α-纤维素的聚合度大于200、β-纤维素的聚合度为10～100、γ-纤维素的聚合度小于10。工业上常用α-纤维素含量表示纤维素的纯度。 综纤维素是指天然纤维素原料中的全部碳水化合物，即纤维素和半纤维素的总和。
编织管增强型醋酸纤维素中空纤维膜研究 醋酸纤维素(CA)是重要的天然纤维素衍生物,因其成膜性好、价格低廉,在分离膜领域占有重要地位。为提高CA中空纤维膜的力学强度,扩展CA中空纤维膜的应用范围,本文基于非溶剂致相分离(NIPS)成膜原理,采用同心圆复合纺丝技术,制备了编织管增强型(BR)CA中空纤维膜,对其结构与性能进行了研究。以CA 纤维编织管为增强体,以CA的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液为铸膜液构筑表面 分离层,制得同质增强型(HR)CA中空纤维膜。研究表明,随铸膜液中CA浓度增加,膜的表面分离层更为致密,其外表面更为平滑,膜的平均孔径减小,牛血清蛋白(BSA)截留率增高,且膜的拉伸断裂强度(>11MPa)和爆破强度有所增大；当铸膜液中CA浓度高于10%时,所得膜的表面分离层与增强体之间界面结合状态较好。 活性污泥悬浮液对比过滤试验发现,HR CA膜较增强型聚偏氟乙烯(PVDF)中 空纤维膜具有更小的通量衰减率,且简单物理清洗后的通量回复率更高,表明CA 膜耐污染性能优于PVDF膜；膜的出水总有机碳(TOC)浓度低于20mmg·L-1,去除率接近90%。以CA和聚丙烯腈(PAN)混合纤维编织管为增强体,制得编织管增强 型CA中空纤维膜。混合纤维编织管的使用实现了同质纤维增强与异质纤维增强的结合,膜中同时存在同质增强界面和异质增强界面,不但可有效调控膜的界面 结合状态,而且可抑制CA纤维过度溶胀对膜通透性的不利影响。兼顾界面结合状态和通透性能,增强体中最佳CA/PAN纤维比为2/1。 膜的拉伸断裂强度主要取决于增强体,随编织管中PAN纤维比例增加,膜的 拉伸断裂强度由16.0MPa增大到62.9MPa。改变铸膜液所用溶剂种类研究发现, 以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂所得膜的纯水通量较大,而以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂所得膜的纯水通量较小；以DMAc、DMF、N-甲基吡咯烷酮(NMP)为 溶剂,膜的蛋白质溶液通量较大且接近；所得膜的纯水通量回复率较高,均达90%左右,表现出较好的耐污染性能。根据拔出强度测试结果,以DMAc、DMF、DMSO 和NMP为溶剂铸膜液所得膜的界面结合强度依次降低。随铸膜液中CA浓度增加,膜的纯水通量减小,蛋白质溶液通量衰减率降低,同时表面分离层与增强体之间 界面结合强度增大。 随凝固浴温度增加,膜的纯水通量增大,而蛋白质溶液通量衰减增大,表面分离层与增强体之间界面结合状态变差。通过在表面分离层中混杂纳米材料,制得
近年来，由于疾病、人口老龄化、意外事故等造成大量的人体器官和组织的损坏和功能缺失，如何实现人体组织和器官的快速修复和重建以及治疗药物在人体内的可控释放已成为生物医学研究领域面临的重要问题。 要使缺损的组织和器官得以修复和重建，其过程是构建有生物活性的细胞支架材料，这种支架可以载有生长因子或本体细胞，植入体内后支架材料逐渐被分解和吸收的同时，细胞增殖并形成新的组织，从而修复缺损组织替代器官，支架材料或作为一种体外装置，暂时替代器官功能，达到提高生命质量，延长生命的目的。 自20世纪60 年代以来，对于药物控制释放体系的研究，受到研究者的广泛关注。与传统给药模式相比药物控制释放具有显著的优点，除提高药物治疗的准确性、有效性、安全性外，还明显降低了药物的生产成本和不良反应，药物控制释放材料的研究得到迅速发展，其中制备性能优良的药物载体已成为药物控制释放技术的研究热点。 由于高分子材料的化学组成、加工工艺和性能易于调控，在一定尺度上通过调控聚合过程或加工工艺，可易于改变或调节材料的物化性能，因此把组织工程学和药物控制释放原理与高分子材料结合起来，合成具有生物相容性和刺激响应性的生物功能材料，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
静电纺丝作为一种简单、有效、方便而经济的高分子材料加工技术，其技术核心是将具有一定粘度且带有电荷的高分子熔体或溶液在高压静电场中喷射、拉伸细化、劈裂，终固化成微纳米级纤维状物质的过程。 静电纺聚合物纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、良好的三维结构和各向同性的力学性能等优点，能够满足组织工程中细胞支架和药物控释载体在比表面积、多孔结构和力学性能等方面的要求，而且具有纤维孔隙结构的支架材料与细胞增殖有良好的适配性，可有效模拟细胞外基质环境，同时比膜状材料更有利于细胞粘附。 国内纳米纤维和静电纺丝技术正在蓬勃发展，科研发文数量一直位居全球首位。近年来，电纺纤维及其纤维膜由于高的比表面积，高的孔隙率以及形貌可控等优点在伤口愈合方面引起了很多关注，电纺纤维膜一方面能够物理隔绝病毒和细菌，又能够透气保湿，给伤口营造一个良好的愈合环境。 另一方面，电纺纤维的直径以及纤维膜的孔径与细胞外基质的尺寸相仿，能够促进细胞生长，加速伤口愈合速度，减少疤痕产生，因此在创伤敷料方面有独特的优势。 但大多数电纺敷料通常是经过先制备再应用的过程，容易对伤口造成二次创伤。原位电纺目前是一种较为理想制备及应用电纺敷料的方法。便携式手持静电
综述与专论 合成纤维工业,2009,32(4):48CH I NA SYNTHETI C FI BER I NDUSTRY 收稿日期:2008 09 17;修改稿收到日期:2009 05 27。作者简介:董晓英(1956 ),教授。从事纳米材料的教学和科研工作。 静电纺丝纳米纤维的制备工艺及其应用 董晓英1 董 鑫 2 (1.江苏技术师范学院,江苏常州 213001;2.慕尼黑大学,德国慕尼黑 80539)摘 要:简述了静电纺丝制备纳米纤维的原理;探讨了静电纺丝电压、流速、接收距离、溶剂浓度等工艺条 件;介绍了同轴静电纺丝制备皮芯结构的超细纤维及中空纤维技术以及静电纺丝纳米纤维毡在生物医药方面的应用。指出静电纺丝纳米纤维材料在生物医用方面具有广阔的应用前景,进一步实现低压纺丝、开发无毒溶剂,控制同轴静电纺丝纳米纤维的释放性能是今后静电纺丝的研发方向。 关键词:静电纺丝 纳米纤维 工艺 生物 医药 应用 中图分类号:TQ 340.64 文献识别码:A 文章编号:1001 0041(2009)04 0048 04 静电纺丝法是一种高速制备纳米纤维的有效方法,其装置简单,成本低廉,供选择的基体材料和所载药物种类众多,可通过改变电压、流速、接 收距离、溶液浓度配比等纺丝工艺控制纤维形貌,从而控制药物的释放。静电纺丝纳米纤维在生物、医药方面有着广泛的应用。1 静电纺丝及其工艺条件 静电纺丝技术最早报道于1934年的美国专利[1] ,发明人For mhals 用静电斥力的推动成功纺出醋酸纤维素纤维,溶剂为丙酮和乙醇。后来,For mha ls 改进了静电纺丝设备,通过多个针头纺丝或复合纺丝 [2] 。 1969年,英国Taylor [3] 研究了强电场作用下 水/油界面的形成。首先,从理论计算上考虑电场、重力和溶液粘度的影响,建立了锥状物模型,即在高压电场下溶液喷出前的形状称为Tay lor 锥。Tay l o r 还根据其模型计算了喷出时的临界锥角为98.6 。 静电纺丝纤维喷出针头后,在空中弯曲回转,最后落在接收器上,给人多股纤维同时喷出的印 象。阿克隆大学的Dosh i 等[4] 假设带电高分子溶液在喷出后互相排斥,克服表面张力而分裂成若干股纤维,落到接收器上形成无纺纤维毡。但是 麻省理工学院的Shin 等[5]和以色列的Yari n [6] 等通过高速成像,只有1股纤维从喷丝口喷出,然后在电场力作用下快速弯曲旋转,给人以很多股纤维的假象。1971年,杜邦公司的B au m garten [7] 研究了纺丝工艺参数对丙烯酸在N,N 二甲基甲酰(D M F)胺溶液中静电纺丝纤维直径的影响。纺 丝工艺参数主要包括喷射距离、溶液粘度、环境气体、流速和电压等。 1.1 电压 足够的电压是形成连续稳定纤维的先决条件。如果电压过小,则产生静电喷射,形成独立的珠状物。随着电压的增加,逐渐形成串珠结构,电压进一步增大,串珠逐渐减少,直至形成连续稳定 的纤维。Deitzel 等[8] 研究了聚氧化乙烯(PEO )/水体系中电压对喷丝口Tay lor 锥表面的影响。结果表明,当电压较小时,Tay lor 锥形成于针头外悬挂液滴的表面;随电压增加,液滴体积逐渐变小,直至液滴和Tay lor 锥相继消失。同时,纤维上串珠的分布密度也随电压增大而增加。因此,一般适宜电压为10~25kV 。1.2 流速 流速是影响静电纺丝纤维形貌的另一重要参数。M ege lski [9] 等研究了静电纺丝流速对聚苯乙烯/四氢呋喃(THF)体系的影响,随着流速增大,纤维直径增加,纤维表面的孔径也增大。同时,流速增大也促进了更明显的串珠结构,其原因是溶剂在到达接受装置前不能完全挥发。目前所采用的流速为1~3mL /h 。1.3 接收距离 接收距离也会在一定程度上影响静电纺丝的 纤维形貌。Jaeger [10] 等研究了PEO /水溶液的静电纺丝行为,随着接收距离由1c m 增大到3.5c m,纤维直径从19 m 下降到9 m 。根据M egel
纤维素衍生物在环保和医药方面的应用 【摘要】：以天然纤维素为基体进行改性可以得到活性更强的改性纤维素。且纤维素是是符合可持续发展要求的可再生资源。本文从纤维素的结构对其作出简介，并对纤维素和其衍生物在环境保护和医学药用方面的应用。【关键词】：纤维素衍生物环境保护医学药用应用 Cellulose derivatives in terms of environmental protection and medicine 【Abstract】：Natural cellulose for matrix modified can get active stronger modified cellulose. And cellulose is accord with the sustainable develop ment requirements of the renewable resources. This article from the cellu lose structure is made to its profile, and the cellulose and its derivatives in environmental protection and medical medicinal applications. 【Key words】：cellulose derivative environmental protection Medicine medicinal application 【引言】：纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50% 以上，每年通过光合作用可合成约1.5×1012t 。纤维素及其衍生物在纺织、轻工、化工、国防、石油、医药、能源、生物技术和环境保护等部门应用十分广泛。近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长和各国对环境污染问题的
细菌纤维素的研究进展 摘要：细菌纤维素是一种天然的生物高聚物，具有生物活性、生物适应性，具有独特的物理、化学和机械性能，例如高的结晶度、高的持水性、超精细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，因而成为近年来国际上新型生物医学材料的研究热点。概括细菌纤维素的性质，发酵过程，改性方法以及在生物医学材料上的应用。 关键词：细菌纤维素；改性；生物医学材料；应用 0 前言 细菌合成纤维素是在1886年由Brown首次报道的，是胶膜醋酸菌A.xylium 在静置培养时于培养基表面形成的一层白色纤维状物质。后来在许多革兰氏阴性细菌，如土壤杆菌、致瘤农杆菌和革兰氏阳性菌如八叠球菌中也发现了细菌纤维素的产生。细菌纤维素与天然纤维素结构非常相似，都是由葡萄糖以β一1，4一糖苷键连接而成的高分子化合物，此外，细菌纤维素相对于传统的纤维素资源又有其优势，如加工时不用去木质素，可合成高质量的纸张或者加工成任何形状的无纺织物，还可通过发酵条件的改变控制合成不同结晶度的纤维素，从而可根据需要合成不同结晶度的纤维素。 从纤维素的发现至今已有一百多年的历史，但由于无合适的实验手段以及纤维素的产量较低，因此多年来一直未受到足够重视。近十几年来随着分子生物学的发展和体外无细胞体系的应用，细菌纤维素的生物合成机制已有了很深人的研究，同时在细菌纤维素的应用方面也有了很大进展。 1.细菌纤维素的结构特点和理化特性 1.1化学特性 经过长期的研究发现，BC和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，均可以视为是由很多D-吡喃葡萄糖苷彼此以(1-4)糖苷键连接而成的线型高分子，相邻的吡喃葡萄糖的6个碳原子不在一个平面上，而是呈稳定的椅式立体结构。
静电纺丝操作步骤（有粘结性的溶液） 溶液配制好后按如下步骤进行喷丝实验: 1.打开总开关，检查正负压电源的调节旋钮是否归零（左旋到底），紧急停机旋 。 2.控制面板上的钥匙电源开关右拧，此时进 入标签页面。点击来到推注控制页面。 3.或，快速将注射器的
活塞推到底，此时点击。 4.点击，使滑块迅速移退至一定位置，取出空的注射器，将纺丝液注入到 注射器中，固定到推注泵卡口处，通过或来调节滑块位置，使针头 此时显示框内出现负值， 的可用长度，在此范围内任意设定需要纺丝的距离。 5. 接收器：固定式的，平行式的，高转速的） 6.点击并修改、或参数。 7.通过设备底部滑台上的夹子调节喷丝头与连接器之间的距离， 确定好位置，高压夹头加紧，点击，此时推注装置开始单独运行。 8.将控制面板上的、红色按钮按下，此时正负高压开 启，调节旋钮；边观察纺丝现象边调节 （目的是调节喷丝效果），直至出现比较稳定的喷射流即可。 9.若启动平移装置，可以通过触摸屏点击，首先检查平移部分的中点，一 般将标尺的零点设定为中点，并设定平移行程和平移速度。也可以通过点击 “设为中点”即可将当前 位置设定为平移中点， 点击，此时平移装置开始单独运行。 10.若需启动接收装置，可以通过触摸屏点击，设定转辊接收速度，直接 以及。 11.若需要同时启动两个推注装置、平移装置、接收装置，可以分别在相应的标 签页面设置好运行参数之后，点击进入联动标签页面，点击，此时所有能动的装置都会启动，如需停止，点击“停止”即可，此为联动启动功能。 12. 完毕之后再打开正负高压继续进行实验。 13. 操作功能之后方可手触所收集的材料。
醋酸纤维素片 1、项目目的和意义 醋酸纤维素是纤维素中的羟基被酯化而生成的。按乙酰基含量不同，分为三个品种：其中乙酰基含量在31%-35%时，称为一醋酸纤维素；乙酰基含量在38%-41.5%时，称为二醋酸纤维素；乙酰基含量大于43%时，称为三醋酸纤维素。本项目主要指二醋酸纤维素，俗称醋片（以下统称醋片）。 香烟小咀丝束是醋片的主要消费领域。由醋片制的丝束，用于香烟滤咀材料，具有弹性好、无毒、无味、热稳定性好、吸咀小，截滤效果显著，能减少烟气中的毒物，同时又保留了一定的烟碱不失香烟口味。它比聚丙烯丝等材料具有无法相比的优越性。世界上香烟过滤咀的消耗量长期以来一直保持着稳定增长势头。醋片做为生产香烟必不可少的关键材料，发展快，用量大。此外，醋片还可以用于制造热塑性塑料、电话机壳、眼镜架、玩具、醋酸人造丝、生物降解薄膜、半透膜材料（用于海水淡化、水处理、混合气体分离、病毒细菌分离等）。国外醋片总量60%以上消费于香烟丝束；国内则绝大部分用于香烟丝束，仅少量用于纺织、塑料制品等。又由于国内醋片产量满足不了市场需求，所以拟建5万吨/年醋片装置，在国内市场上还有一定份额。 2、市场分析 2?1国外市场分析 国外主要醋片生产公司有：Eastman corp(美国)、Hoechst celanese(美国)、Primester corp(美国)、大赛璐公司(日本)、帝人公司(日本)。世界上醋片的发展比较平稳，目前装置能力80万吨/年以上，且都满负荷生产。 醋酸纤维丝束是香烟滤嘴的理想原料，过去20年中，醋酸纤维丝束增长稳定，年均增长6%以上，预计还会继续保持这种趋势。丝束的原料是醋片，丝束的增长趋势决定了醋片的发展。1996年醋酸纤维丝束消费58万吨以上，相应耗醋片55万多吨。预计2005年醋酸纤维丝束年均增长率5%计，需求为102万吨，相应醋片约97万吨（1吨丝束消耗醋片0.95吨计）。2?2国内市场分析 我国烟草十年来稳定增长，尤其近三年快速增长。2002年创造了利润总额406亿元的历史最高记录，利润增长率高达17.1%。2002年产量达到17225亿元；销量达17493亿支，创历史新高。我国香烟接咀率达96%，耗醋酸纤维丝束18万吨左右，相应醋片16.8万吨左右。我国烟草工业已走出1999年的低谷，预计今后还会稳定增长，醋片的需求也会同步增长。 目前国内烟用醋酸纤维丝束生产企业主要有四家，如表所示： 公司名称能力 (万吨/年) 南通醋纤公司2.5 珠海醋纤公司1.5 昆明醋纤公司1.5 惠大公司1
纤维素及其作用 纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。 麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。纤维素是重要的造纸原料。此外，以纤维素为原料的产品也广泛用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。食物中的纤维素（即膳食纤维）对人体的健康也有着重要的作用。 纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的，人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素化学与工业始于160多年前，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理及化学学科的创立、发展和丰富作出了重大贡献。全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达800万吨。此外，用分离纯化的纤维素做原料，可以制造人造丝，赛璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物；也可制成甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等醚类衍生物，用于石油钻井、食品、陶瓷釉料、日化、合成洗涤、石墨制品、铅笔制造、电子、涂料、建筑建材、装饰、蚊香、烟草、造纸、橡胶、农业、胶粘剂、塑料、炸药、电工及科研器材等方面。 生理作用
纤维素的主要生理作用是吸附大量水分，增加粪便量，促进肠蠕动，加快粪便的排泄，使致癌物质在肠道内的停留时间缩短，对肠道的不良刺激减少，从而可以预防肠癌发生。 膳食纤维 人类膳食中的纤维素主要含于蔬菜和粗加工的谷类中，虽然不能被消化吸收，但有促进肠道蠕动，利于粪便排出等功能。草食动物则依赖其消化道中的共生微生物将纤维素分解，从而得以吸收利用。食物纤维素包括粗纤维、半粗纤维和木质素。食物纤维素是一种不被消化吸收的物质，过去认为是“废物”，现在认为它在保障人类健康，延长生命方面有着重要作用。因此，称它为第七种营养素。 ①有助于肠内大肠杆菌合成多种维生素。 ②纤维素比重小，体积大，在胃肠中占据空间较大，使人有饱食感，有利于减肥。 ③纤维素体积大，进食后可刺激胃肠道，使消化液分泌增多和胃肠道蠕动增强，可防治糖尿病的便秘。 ④高纤维饮食可通过胃排空延缓、肠转运时间改变、可溶性纤维在肠内形成凝胶等作用而使糖的吸收减慢。亦可通过减少肠激素如抑胃肽或胰升糖素分泌，减少对胰岛B细胞的刺激，减少胰岛素释放与增高周围胰岛素受体敏感性，使葡萄糖代谢加强。 ⑤近年研究证明高纤维饮食使Ⅰ型糖尿病患者单核细胞上胰岛素受体结合增加，从而节省胰岛素的需要量。由此可见，糖尿病患者进食高纤
摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理 前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。 纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。 一静电电纺丝技术 静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。由于静电雾化技术与静电纺丝技术原理类似，所以前者的研究也为后者提供了一定的理论基础[4]。因为静电纺丝过程涉及到的学科领域很多，所以至今对它的研究仍处于探索阶段，虽然早在1934年，Formals就发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，在其专利中，他公布了如何以丙酮作为溶剂的醋酸纤维素溶液在电极间形成射流，从而在静电推力下产生聚合物纤维。 静电纺丝技术的思路最早来源于人们对液体在电场力作用下的电喷射行为的研究。Raleigh在1882年研究发现，当液滴承受的电场力超过表面张力时，其原本的平衡状态被打破，悬挂在金属喷丝头上的液滴就分裂成一系列带电小液
静电纺丝技术的研究 摘要：文章介绍了静电纺丝制备纳米纤维的技术，详细地介绍了这种技术的优点，以及它在各个方面广泛的应用。此外，虽然它具有很多的优点，但目前也仍然存在一些问题，我们也对此进行了探讨。 关键词：静电纺丝纳米纤维应用原理 前言：近年来，纳米结构材料，如纳米纤维、纳米管，由于其尺寸效应十分显著，在光、热、磁、电等方面的性质和体材料明显不同，出现许多新奇特性，因此收到了研究人员的高度重视。纳米纤维最大的特点就是比表面积大，从而导致其表面能和活性的增大，产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理性质方面表现出特异性[1]。电纺技术是一种简单和通用的获得连续微米级别以下的超细纤维的方法。通过电纺的方法可以制备出多种纳米纤维，包括氧化物纤维，高子分聚合物纤维等。静电纺丝方法制备的纳米纤维，具有纳米尺寸的直径，高比表面以及纤维之间形成的微小孔隙[2]。 纳米纤维、静电纺丝都是一些新事物，具有广阔的发展前景。可以用于组织工程、人造器官、药物传递和创伤修复等。另外，对植物施用杀虫剂是纳米纤维可能大规模应用的又一个领域。但当前的静电纺丝技术还不成熟，有待于深入地研究，以制得高质量的纤维并能使纳米纤维的制备实现产业化[3]。 一静电电纺丝技术 静电纺丝技术(electrospinning)在国内一般简称为电纺，其是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得直径为数十纳米到数微米的纳米级纤维的纺丝技术。通过静电纺丝技术得到的纳米级纤维具有直径小、表面积大、孔隙率高、精细程度一致等特点，在组织工程、传感器、工业、国防、农业工程等领域具有极大的发展潜力，而且其在医药领域诸如伤口敷料、控制释放体系等方面也有着巨大的应用前景[5]。从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化技术的一种特例。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于：两者所使用的工作介质不同。静电雾化采用的是粘度较低的牛顿流体；而静电纺丝采用的是粘度较高的非牛顿流体。由于静电雾化技术与静电纺丝技术原理类似，所以前者的研究也为后者提供了一定的理论基础[4]。因为静电纺丝过程涉及到的学科领域很多，所以至今对它的研究仍处于探索阶段，虽然早在1934年，Formals就发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，在其专利中，他公布了如何以丙酮作为溶剂的醋酸纤维素溶液在电极间形成射流，从而在静电推力下产生聚合物纤维。 静电纺丝技术的思路最早来源于人们对液体在电场力作用下的电喷射行为
文章导读 对绝大部分人来说，二醋酸纤维素是一种非常陌生的东西，其实醋酸纤维素是一种热塑性的树脂，这种物质具有很多特点，比如透水量非常大，加工的过程非常简单，而且具有非常高的选择性，从外观上看，醋酸纤维素是一种白色的或者透明的粉末，那么二醋酸纤维有哪些用途呢？ 二醋酸纤维素的用途： 用于制药品的肠溶衣、醋酸纤维过滤膜等，用于制醋酸纤维塑料、醋酸纤维素过滤膜等。 醋酸纤维素，根据产品的不同可以分为二醋纺丝级醋酸纤维素、二醋塑料级醋酸纤维素、三醋酸纤维素。 1、二醋纺丝级醋酸纤维素：纺丝级产品是国际公认并且至今未找到可替代材料的无毒、无害的产品，它最重要、最主要的用途是用作过滤器材，特别是香烟过滤嘴用量非常之大，另外就是用作医用过滤器材，如血液过滤器材等；同时它也可用于纺丝，带有丝绸的光泽，用作高级西服服装的称里。 2、二醋塑料级醋酸纤维素：主要用于制作板材、片材，主要的产品有眼镜镜框、高级工具手柄等。 3、三醋酸纤维素：主要用作电子薄膜，如液晶显示器的偏光片，电影胶片、相机胶卷。 易混物质 醋酸纤维素（Acetatefiber，简记：AF）和三醋酸纤维素（triacetatefiber，简记：TAF）二者常常被误认为是同一种纤维，其实尽管二者相似，但它们的化学组成不同。TAF是作为通用的分子结构描述，也是最基本的醋酸酯，其中不含有羟基。AF被认为是改性的或次级的醋酸酯，分子链中含有羟基。尽管TAF当下很少有生产，比AF有更高的酯化度。 制备 1.将精制短棉绒干燥后，经醋酸活化，再在醋酸催化剂存在下，与醋酸和醋酐混合液进行酯化反应，使之乙酸化，然后加稀醋酸水解。中和催化剂，使产物深沉析出，经脱酸洗淀、精煮、干燥可得。 2.将精制短棉绒干燥后，经醋酸活化，再在硫酸催化剂存在下，与7倍于精制短棉绒的醋酸和醋酐混合液进行酯化反应，使之乙酸化，然后加稀醋酸水解到所需要的水解度（1.72～1.95）。中和催化剂，使产物沉淀析出，经脱酸洗涤、精煮、干燥后即得一醋酸纤维素。在乙酰化反应时，改变加入的醋酸和醋酐混合液的量，可制得二醋酸纤维素和三醋酸纤维素。醋酸和醋酐混合液的量为精制短棉绒的8.5倍，反应毕加稀醋酸水解达到取代度为2.28～2.49，得到二醋酸纤维素。醋酸和醋酐混合液的量为精制短棉绒的10倍，反应毕加稀醋酸水解达到取代度为2.8～2.9，得到三醋酸纤维素。