海藻酸纤维的增强、增韧改性及其结构与性能研究

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海藻酸纤维具有高吸湿性、阻燃性和生物降解性等优异性能,可以应用在很多领域,例如用于包扎伤口的敷料,药物运输的载体等,但由于其结构的特殊性,力学性能较差,在很大程度上限制了它的应用范围。为了改善其综合力学性能,并且保持其绿色环保的优良特性,分别采用自制的纤维素纳米晶(CNC)和聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)对海藻酸纤维进行原位改性,通过湿法纺丝工艺制备改性海藻酸纤维。采用红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)、X-衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)、单纤强力仪等对所制备的改性海藻酸纤维进行测试表征,并对实验结果进行分析讨论,探究提高海藻酸纤维综合力学性能的最佳工艺条件。研究内容主要有以下两个方面:(1)CNC改性海藻酸纤维的制备、结构及性能研究CNC具有很多优异的性能,比表面积大,生物相容性好,环境友好,来源广泛,可再生,因而备受关注。本文通过对微晶纤维素(MCC)进行酸解制备得到CNC,采用激光粒度仪对其粒径进行测试,采用SEM与透射电镜(TEM)对其形貌进行观察,采用XRD和FTIR等对其结构进行表征,结果表明CNC的平均粒径约为115.5 nm,达到了纳米级别,且粒径的多分散性指数(PDI)值为0.428,说明自制CNC粒径分散较均一。借助超声波振动仪和机械搅拌器将CNC均匀分散在海藻酸钠纺丝原液中,再通过氯化钙凝固浴与钙离子交联,制备出不同CNC含量的改性海藻酸纤维,并对其结构进行了表征。红外谱图表明:CNC与海藻酸钠分子间形成大量氢键,使得-OH的伸缩振动谱带向低频方向移动,并且谱带变宽。纤维拉伸断面SEM图表明:纯海藻酸纤维的断面光滑,属于脆性断裂,但随着CNC含量的增加,光滑的纤维断面上锯齿结构和条纹增多,CNC的加入改变了海藻酸基体的变形能力。TG曲线表明:随着CNC含量在一定范围内增加,改性海藻酸纤维的热分解速率略有增大,但其质量保留率增加。通过对纤维综合力学性能的测试,并和其他性能的测试结果综合,总结出最佳制备条件为:海藻酸钠溶液浓度为5%(wt),CNC的浓度为8%(wt),CaCl2凝固浴浓度为5%(wt),温度为25°C时,改性海藻酸纤维的力学性能达到最优化。断裂强度提高了46.8%,断裂伸长率也提高了111.9%;改性海藻酸纤维的吸水性能在CNC浓度为0.5%(wt)时,从116.6%提高到142.6%。(2)PEGDE改性海藻酸纤维的制备、结构及性能研究聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)作为聚乙二醇(PEG)的一种衍生物,是一种常用的环保型交联剂,但现阶段研究中交联反应需要在碱性环境中进行,本文在中性条件下将PEGDE添加到海藻酸钠纺丝原液中,在不断的机械搅拌下两者发生交联反应,再通过氯化钙凝固浴中与钙离子交联,研究交联剂PEGDE的质量浓度对改性海藻酸纤维的结构与力学性能的影响。红外谱图表明:PEGDE三元环环氧基的特征吸收峰没有出现在改性海藻酸纤维的红外图谱中,说明反应过程中已经全部开环,并且交联剂没有破坏纤维的基本结构。改性海藻酸纤维在2921 cm-1、2851 cm-1处观察到新的吸收峰,这归因于-CH2的不对称和对称伸缩振动,证明海藻酸钠与PEGDE发生了反应。XRD测试表明:PEGDE与SA交联后,大分子链的缠结增多,纤维经过牵引拉伸后其大分子链规整性增加,这在一定程度上增加了改性海藻酸纤维的结晶性能。TG曲线表明:经PEGDE交联后,最大热分解温度升高,对应的最大热分解速率降低,纤维的热稳定性变好。得到PEGDE改性海藻酸纤维的最佳制备条件为:海藻酸钠与PEGDE在pH为中性,温度为60°C的环境下反应5 h,并且质量之比为100:20时,改性纤维的力学性能达到最优化,断裂强度提高了约78%,断裂伸长率也提高了约114%。
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