微珠诱导相转变法制备微孔膜的基础研究

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聚氨酯微孔膜和聚乳酸微孔膜因具有良好的力学性能、热学性能和生物相容性被广泛的应用于组织工程、功能辅料、人工器官和药物控释等领域。多种微孔膜的制备方法被设计与应用,但是以水为诱导剂,通过相转变的制备方法被科学家们广泛的进行研究。其主要原因是其制备工艺简单,诱导剂容易获得。但是在水诱导聚合物发生相转变过程中,水与溶剂之间发生快速互换,致使聚合物形成上层致密,下层多孔的复合型结构,同时水与溶剂之间的快速交换导致指状孔洞的形成,严重限制了微孔膜在生物医疗领域的使用。针对以上问题,本课题采用先进的超声雾化技术,将常用的水诱导剂转化为微珠,用来诱导聚合物溶液发生相转变,从而制备孔洞结构均匀的微孔膜。论文中选择了非晶聚氨酯材料和可降解结晶聚乳酸材料作为研究对象。通过超声雾化技术将蒸馏水转变成雾化微珠,持续供应到聚合物溶液的上方,诱导聚合物溶液发生相转变,并固化下来,获得微孔结构均匀的聚合物微孔膜。通过扫描电镜、透气仪、万能强力机对非结晶聚氨酯微孔膜进行了深入的研究。实验结果表明,雾化微珠诱导聚氨酯溶液相转变法制备得到的聚氨酯微孔膜,其孔洞结构比以水为诱导剂制备得到的微孔膜更加均匀,致使微珠法制备而得的微孔膜透气性和力学性能相比水作为诱导剂制备得到的微孔膜有大幅度的提高,这主要归功于微孔膜结构的均匀性。进一步深入研究了聚氨酯溶液对聚氨酯微观结构、透气性和力学性能的影响。随着聚氨酯溶液质量分数的增加,聚氨酯微孔膜的孔径变小,透气性下降,力学性能提高。孔径变小和透气性下降的原因是随着聚氨酯溶液质量分数的提高,溶液的粘度增大,微孔由小变大的能力受到外围溶液的限制,所以微孔的直径出现下降,同时也阻碍空气在微孔膜内部流通,导致透气性下降。微孔直径的下降,使得微孔膜孔洞结构的均匀性提高,并且降低了拉伸过程中微孔膜出现弱点的概率,提高了微孔膜的力学性能。对于结晶型聚合物聚乳酸,以雾化微珠为诱导剂制备得到的聚乳酸微孔膜,通过电子扫描显微镜、差示扫描量热法和X-衍射分析仪对微孔膜的微观结构,热学性能和结晶度进行了表征。通过扫描电镜可以观察到明显的晶态结构,并且随着铸膜液质量分数的增大,微孔膜内的聚集态结构由针状变为块状。制备过程中溶剂的性能对微孔膜的形貌有很大影响,当使用与水互溶性溶剂时得到多孔结构。反之,获得致密的结构。诱导剂的类型对聚乳酸微孔膜的结晶度也有着很大影响,雾化微珠为诱导剂制备聚乳酸微孔膜的结晶性明显高于水为诱导剂制备的聚乳酸微孔膜。主要原因是微珠与聚乳酸溶液之间的交换速度较慢,在相转变成形过程中,微珠为聚乳酸分子链的排列提供了足够的时间,使结晶性显著提高。当水作为诱导剂时,溶剂与非溶剂之间快速交换阻碍了聚乳酸分子链的运动,使结晶性能出现下降。制备过程中,聚乳酸溶液的质量分数对微孔膜的结晶行为影响十分显著。通过XRD表征得出铸膜液质量分数为15%时,结晶性最佳。以上研究结果证明通过使用雾化微珠法可以制备孔洞结构均匀的聚合物微孔膜,适合应用在组织工程、药物控释、人工器官和人工辅料等领域,同时通过控制制备工艺参数可以获得不同结晶行为的聚合物微孔材料,满足不同领域的使用需求。
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