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静电纺丝制备功能性PLA纳米纤维膜文献综述

 2020-08-04 09:08  

文 献 综 述

静电纺丝(electrospinning)技术[1]是用将高分子聚合物制成均一稳定的溶液[2],作为纺丝液,再给予一定的高压静电,使液滴喷射一定的距离,最后冷却下来形成纳米纤维膜的一种技术。静电纺丝得到的纳米纤维的直径都是纳米级,具有单位质量总面积大,因而有着独特的物理化学性质[3]。而相比于复合纺丝法[4]、生化合成法、蜘蛛丝法、碳纳米管法[5]、细菌纤维法等方式相比,静电纺丝具有设备先进而操作简单的优势。静电纺丝之所以如此新颖,是因为与之前提到的纺丝技术有很大区别,这种用静电力制造纤维的新途径,具有的突出优点包括纺丝效率高、装置简单、成本低廉、操作方便简单、安全绿色、纺丝材料及来源广泛等突出优点。在在实验过程中,我们还可以通过控制和调节设备电压[6]、环境温度以及纺丝液的挤出速度、浓度以及纺丝间距、纺丝速度[7]、纺丝模式[8]等工艺条件来调控形成的纤维的形貌参数。静电纺丝相比之前的众多制造方法可以获得更加纤细的纤维,所以静电纺丝技术已经受到越来越多的关注,且研究发展速度非常惊人,因为无论是在医药生物界[9]还是工业界,静电纺丝技术都引起极大的反响,取得了很大的轰动。但是静电纺丝技术也有一些瓶颈亟待解决。首先,是纺丝原料来源问题,能用于静电纺丝的天然高分子原材料十分有限,而且用这些材料纺丝所得产品的质量存在许多疵病,这也是本课题拟解决和提高的地方;第二,静电纺丝工艺出来的纤维,因为受到各种条件的影响,除了与纳米颗粒的构型,堆积形式和互相作用,还与聚合物自身的性质、作用条件等密切相关,因此,探索合适可行、安全高效的功能性纳米纤维材料的生产方法已经成为重中之重。

利用静电纺丝技术制作出来的功能性纳米纤维膜[10],是一种具有优良性能的新型材料。目前的应用方向主要有以下几个方面:首先,纳米纤维膜材料是一种优良的过滤材料,不仅通透效果好,而且能够很好地过滤PM2.5等颗粒甚至能过滤掉各种病毒和杂质。与市场上目前的主流空气净化器中所采用的高效过滤膜(HEPA)相比,功能性纳米纤维膜具有在相同过滤效果下通过空气更多,膜两侧的压差也更小。最重要的一点在于,这种功能性纳米膜的成本更加低廉。另外,还可以将其用于当作锂电池的隔膜,如此可以提高电池的功率、减小内部消耗、提高内部电化学的性能,使得磷酸铁锂电池在-40℃也能工作。纳米纤维膜还有吸湿快干的功能,在制作速干的运动衣以及特种防护服上面具有非常广阔的前景。此外,还可以应用于处理海洋油井泄漏问题的处理,功能性纳米纤维膜吸附原油的效果更好且成本更加低廉,成为以后处理这类问题的优选材料。功能性纳米纤维膜还可以根据各种用途的需要,制作成具有低渗透阻力、高孔隙率特点的无纺膜,据此特点,我们可以将纳米纤维膜制成具有高通量、低能耗功能的如手绢一类的便携式超滤膜纺织品,在户外可以用作净水的薄膜,成为军队训练、作战、旅游、森林救火、荒野探险、野外作业、采矿业等行业提供更加清洁的水源,成为各项工作开展的后勤保障。除此之外,功能性纳米纤维膜还可以在其他众多领域大展神通,在此不再赘述。

聚乳酸(PLA)也称为聚丙交酯(polylactide),属于聚酯的一种[11]。其热稳定性好,有好的抗溶剂性[12],可以进行挤压、纺丝、双轴拉伸,注射吹塑等加工[13]。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性[14]好,还具有一定的耐菌性[15]、阻燃性和抗紫外性,因此用途十分广泛,可用作包装材料、纤维和无纺布薄膜[16]等。作为一种新型的人工合成医药用高分子材料,其应用在临床医学上越来越受人们的关注并且大放光彩。同时,聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可吸收性,使得它可以与其他的高分子材料进行共聚或共混,复合后将药物负载在上面,可作为良好的药物缓释体系[17]及创伤材料使用[18]。此外,近年来,雾霾严重,而采用静电纺丝的方法制备出来的聚乳酸纳米纤维,具有孔隙率高、比表面积大等特点,在组织工程支架、生物医药制药、生物技术等领域有广泛的应用,根据聚乳酸在这方面的性能,科研工作者创造性地研制出防雾霾的多功能口罩[19],保护人体健康。总的来说,聚乳酸具有非常光明的应用前景[20]

茶多酚(Tea Polyphenols)是对茶叶中富含的各种酚类物质的总称,主要包括黄烷醇类、黄酮类、酚酸类、花色苷类、黄酮醇类等等,是一种稠环芳香烃,其主要成分是黄烷醇类,占总比例的60%~80%。形成茶叶色香味的主要成分的即类物质茶多酚,又被称为茶鞣或者茶单宁,具有保健的功能。根据研究表明,茶多酚为具有解毒和抗辐射功能的活性物质,能够有效阻止放射性的物质进入骨髓,还可使钴-60和锶-90迅速排出体外,是健康界和医学界公认的”辐射克星”。茶多酚在药理方面具有很强的作用。首先值得一提的是它的抗癌作用,茶多酚能极强的清除对人体有害的自由基[21],将脂质过氧化过程阻断,从而提高人体内酶的活性,起到抗突变、抗癌症的功效,对待胃癌、肠癌的预防和辅助治疗尤为有效。此外,在防治脑中风、抗血栓等方面也有很好的作用。然后,茶多酚还具有提高人体免疫能力的作用[22],能够通过调节免疫蛋白的活性,间接提高人体综合免疫能力,还能抑制如抗体、肾上腺素、酶等活性因子引起的过敏性反应,对哮喘的效果最为明显。还能缓解肠胃紧张,止泻利尿,促进人体对维生素C的吸收,还有助消化、除口臭等其他的保健功效[23]

本课题拟用静电纺丝技术,将PLA制成纺丝液并加入茶多酚,制成具有可降解、手感优良并具备抗菌作用的功能性PLA纳米纤维膜。并通过扫描电镜、测试纤维接触角等对制备的纤维性能进行表征[24][25]

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