静电纺丝纤维膜材料的制备及增强增韧

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由于静电纺丝技术自身的特点,静电纺丝纳米纤维材料普遍存在着力学强度不足的弱点,限制其在特定领域的应用。本论文着眼于增强电纺纤维材料的力学性能,探索热处理方法和选择生物相容性好的增强填料两种手段来提高电纺纤维材料的力学性能。首先,通过壳聚糖/明胶(CG)体系为聚电解质复合物(PEC)模型,采用静电纺丝法制备壳聚糖(CS)和明胶(GE)的共混纳米纤维膜,并考察了退火热处理条件对聚电解质复合物(PEC)对力学性能的影响。拉伸性能测试表明,90°C退火处理使杨氏模量和拉伸强度分别提高1.3倍和1.1倍。SEM结果发现,当退火温度高于玻璃化转变温度Tg时,纤维与纤维之间会发生熔合现象而形成部分粘结。FTIR结果表明,退火促进了分子间更强的的相互作用。同时XRD结果显示,退火处理对结晶性能没有影响。另外退火处理提高了热稳定性和水溶液稳定性和溶胀能力。综上所述,退火导致聚电解质复合物纤维支架材料力学性能的提高归因于两个方面,一是退火导致的纤维间的溶合;二是退火引起的更强的分子间相互作用。因此,退火是增强聚电解质复合物纳米纤维膜力学性能行之有效的策略。其次,我们通过在水溶性聚合物中掺杂纳米金刚石粒子增强其力学性能。在纳米金刚石/聚乙烯醇(ND/PVA)体系,研究发现:仅添加2wt%ND,使得PVA的杨氏模量增加了155%,拉伸强度增加了89%,韧性增加了336%。FTIR结果表明,ND与PVA基体之间存在分子的相互作用,在基体与增强体之间起到了有效的载荷传递。然而,更高含量的添加,纳米粒子的团聚开始变得严重,阻碍了其增强效应。另外,纳米金刚石的加入对PVA纳米纤维的形貌也起到了改善和优化的作用。因此,纳米金刚石在水溶性聚合物纳米纤维增强方面具有良好的应用潜能。最后,我们采用生物相容性好的天然埃洛石纳米管与生物医用高分子材料聚乳酸,通过静电纺丝技术制备出具有良好生物相容性的复合纳米纤维。SEM和TEM结果表明,HNT能够被完全包覆在PLA基体中,在纤维中沿着纤维的轴向排列。HNT含量相对较低时,HNT在纤维中大多为单根分散。但当HNT含量较高时,HNT易几根团聚在一起。FTIR和XRD结果表明,HNT与PLA基体之间存在有效的分子间相互作用。4wt%HNT的加入,使的PLA的杨氏模量拉、伸强度和韧性分别增加了100%、62%和181%。DSC和TGA结果显示,HNT的加入提高了结晶性能,改善了其热稳定性。血清蛋白吸附实验表明,HNT的加入可以增大PLA基纤维对血清蛋白的吸收,有利于给细胞提供类细胞外基质的微环境而促进其粘附和增殖。因此,HNT作为纳米增强填料可用于改善PLA纳米纤维的力学性能,具有潜在的应用前景。
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