静电纺丝醋酸纤维素/CNC复合纤维及其形貌调控开题报告

1. 研究目的与意义

近几年来各国的煤炭、石油等资源在不断的下降并且这些资源所引起的环境污染问题也是日趋严重，这便使得可再生资源的开发和利用受到人们越来越多的关注了。而自然界中最为丰富的可再生资源是纤维素，它每年可通过树木及植物的光合作用大量的产生。但是纤维素也有其缺点，它的分子链上有大量的羟基，容易形成氢键这就会使纤维素很难溶于其它溶剂之中，而这就会导致纤维素在成型加工时会相对比较困难。但是对其衍生化所产生的纤维素衍生物就可以改变这一缺点。醋酸纤维素(ca)是纤维素最广泛使用的一种衍生物，它具有许多优点如柔韧、透明、光泽性好、易成型加工、熔融流动性、易溶于有机溶剂、价格低廉、原料丰富、可生物降解等等。因此它常可以替代纤维素应用于静电纺丝领域。但由于早期的静电纺ca纳米纤维，大部分都是单一组分的纯纳米纤维，会存在缺乏表面特异性、力学性能差等缺点，已经难以满足当前应用的需求。因此我们就需要在醋酸纤维素的基础上进行改性处理，使之具有更加广泛的应用范围。近年来研究者从天然纤维中直接提取出的纤维素纳米( cnc)具有纳米颗粒的特征、高弹性模量、高取向性、高强度、生物相容性和可再生性等特点，因其潜在的广阔应用前景而备受关注。

本选题具有重要的研究和应用的价值。主要是用静电纺丝制备ca/cnc复合纳米纤维,cnc可作为复合材料中的增强相,它可以改善静电纺丝纤维的机械性能。并且随着社会的进步人们在各方面的需求都在日益增加。例如随着我国工业化进程的加速导致河水、海水中的重金属离子严重超标，因此开发过滤性能良好的材料就是研究的重点。而与传统的过滤材料相比，静电纺纳米纤维就具有良好的过滤精度。所以本次对这种改性的醋酸纤维的研究就具有十分重要的价值。

预期目标是获得丙酮与水混合溶剂中静电纺丝醋酸纤维素纤维及其cnc改性复合纤维的优化工艺，并调控复合纤维形貌，为醋酸纤维素纤维在过滤等方面应用奠定基础。

2. 国内外研究现状分析

静电纺丝醋酸纳米纤维具有高孔隙率、高比表面积及生物相容性等优良的特性。它的研究和应用不管是在国内还是国外都受到了极大地欢迎。而研究主要是通过电纺制备得到均匀连续的纳米纤维，由于在静电纺丝过程中静电纺丝的基本参数会对最终电纺形成的纳米纤维有影响。因此在研究过程中也会着重调控基本参数影响。

对静电纺丝醋酸纤维素的研究进展，目前大量文献中已经报道了在多种溶剂中电纺醋酸纤维素。Jaeger等是以丙酮为溶剂电纺CA制备得到的纳米纤维呈链珠状。他们猜想可能是丙酮的低沸点导致的这一现象。Liu等是在丙酮的基础上改进了溶剂体系，他们用丙酮、乙酸与二甲基乙酰胺分别混合作为电纺CA的溶剂，制备得到的纳米纤维呈现连续的状态。并且得出丙酮和二甲基乙酰胺以体积比为2：1进行混合所得到的溶剂为良溶剂电纺制得的纳米纤维是1微米到2微米之间。Ma等是利用丙酮、二甲基甲酰胺和三氟乙烯（3:1:1）共混溶剂来静电纺CA，制备得到的纤维直径分布为200纳米到1微米之间。Son等报道CA在一种新的溶剂体系中静电纺丝的研究。研究发现在含水量为10-15％的丙酮/水混合溶剂体系中可以静电纺得到约2.3微米的超细纳米纤维，它的纤维状态是连续的。并且在碱性条件下可以产生更多的超细纤维（0.46微米）。同时在侯子甲等的静电纺丝法在制备改性醋酸纤维素中的应用这篇应用综述中有提到许多不同的溶剂体系对电纺丝CA 纤维的影响被Haas等研究。通过他们的分析比较，得出酮类、醇类/二甲基亚砜是作为纺丝溶剂的优化条件。

除了溶剂种类会影响静电纺CA纤维的可纺性之外，电压、醋酸纤维素的浓度、接受距离(喷丝头与收集板之间的距离)、温度等也会有影响。这些基本参数是在电纺过程中来进行调节使研究取得优良的工艺参数。李增富分别以六氟异丙醇(HFIP)和甲酸(FA)为溶剂研究了溶剂、电压、浓度及接受距离对纳米纤维形貌和直径的影响。经分析比较发现以HFIP为溶剂、纺丝液浓度为8％、电压为15-20kV、接受距离为16cm时可以制得直径为300nm的明胶纳米纤维。这些主要是因为电压越大，液滴所受的电场力越大时越容易克服液滴的表面张力，使液滴的分裂能力越强，纤维直径越小。但电压也不能过大。醋酸纤维素溶液的浓度变大，电场力拉伸液滴时所克服的表面张力会变大这会使得液滴很难分裂，最终纤维直径会变大。而浓度变大也会导致溶液流动性下降加剧喷丝头的堵塞。所以醋酸纤维素的浓度不能过大。电压一定，接受距离越小时，在喷嘴与接收板之间的电场强度越大，液滴的分裂能力增强会使纤维直径就会变小。

对静电纺丝改性醋酸纤维素纤维的研究进展是，Sun等进行了CA/CNC的静电纺丝研究，在研究中DMAc/丙酮混合物被选为电纺的良好溶剂体系并发现在15Kv、接受距离为15cm的电场下由浓度为15wt％的醋酸纤维素溶液形成的电纺纤维具有良好的形态。Sun等还研究了CNC加载量对纳米纤维形貌及尺寸的影响。在CNC加载量为0.075wt％时电纺纤维光滑均匀，且随着CNC加载量增加时纤维直径逐渐增加均匀性下降。并且在CNC加载量为0.5wt％是复合纤维的机械性能表现最好，弹性模量增大。秦云峰报道了改性纤维素纳米晶/醋酸纤维素静电纺纳米纤维的制备和性能。研究通过对比不同CNC含量的纳米复合纤维，发现CNC含量为2％时产生的次级纤维少且纳米复合纤维的尺寸分布较均匀。

3. 研究的基本内容与计划

本次研究拟采用共混静电纺丝的方法来制备CA/CNC纳米复合纤维，然后在针对静电纺丝的影响因素，通过调控电纺的特定参数来对CA/CNC纳米复合纤维进行形貌调控。最后利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、电子万能试验机、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析(TGA)等仪器对电纺纳米复合纤维进行结构表征和性能测试。主要研究内容包括3个部分：

（1）静电纺丝醋酸纤维素纤维工艺及优化研究

①、首先制备纺丝液：称取一定量的醋酸纤维素粉末放入烧杯中，在向烧杯中加入丙酮和水的混合溶剂，在40℃左右下密封磁力搅拌12h，静置一段时间。

②、然后进行静电纺丝：将制备得到的纺丝液加入到喷丝头中，将高压电源正极夹在喷丝头上，负极接在接受装置上之后进行电纺。（据阅读文献将纺丝工艺参数设定为：接受距离约15cm、CA溶液的浓度约15％、温度约40％、纺丝液推进速度约0.25mL/h。除此之外，还要注意室温约22℃、湿度约27-50％。）

③、通过调节基本参数如电压、电纺流体的流动速率、接受距离、溶液浓度、温度等分析不同电纺基本参数对可纺性的影响并得出最佳工艺参数。

（2）静电纺丝醋酸纤维素/CNC复合纤维工艺研究

①、首先制备纤维素纳米晶的分散液，在超声作用下将其加入到丙酮和水的混合溶剂中再加入醋酸纤维素配制成质量分数为15％的醋酸纤维素溶液，并在40℃下搅拌一定的时间（约12h，也可24h），静置一段时间，除去纺丝液中的气泡。

②、然后进行静电纺丝：同（1）中②的原理相同。

③分析不同静电纺丝基本参数对复合纳米纤维的形态的影响，并得出最佳工艺参数。

（3）复合纤维形貌调控及性能研究

①、分析不同CNC加入量对复合纳米纤维形貌及尺寸的影响

②、分析不同CNC加入量与复合纳米纤维性能的关系

③、结合SEM、FT-IR、DSC、TGA和电子万能材料试验机等分析得出最佳的CNC加入量。

计划安排：

4. 研究创新点

本课题研究的特色与创新之处在于利用已报道文献中的一种新的溶剂体系-丙酮/水混合体系来静电纺丝醋酸纤维素/CNC纳米复合纤维。

通过调控静电纺丝基本参数来对其进行形貌调控，得到我们所需要的纳米复合纤维，为其在过滤等方面的应用奠定必要的基础。