改性多糖纳米纤维的制备及表征

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本文以木薯淀粉(CS)和魔芋葡甘聚糖(KGM)为原料,通过酸水解制备了不同相对分子质量的淀粉(AHCS),然后通过自由基聚合反应制备了AHCS接枝苯乙烯(St)(AHCS-g-St)、苯乙烯(St)/丙烯酸丁酯(BA)(AHCS-g-St/BA)共聚物和KGM接枝St/BA共聚物(KGM-g-St/BA),利用红外光谱(FTIR),热重分析(TGA)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对接枝共聚物进行了表征,通过静电纺丝技术制备了接枝共聚物的纳米纤维,此外,还通过同轴静电纺丝技术制备了以接枝共聚物为壳层,聚己内酯(PCL)为核层的核壳纳米纤维,探究了核壳纤维对铀离子(U(Ⅵ))的吸附性能,最后测试了不同纤维膜的力学性能和疏水性能,研究结果表明:  (1)随着酸水解温度的升高,AHCS的相对分子质量逐渐减小;FTIR表明淀粉酸水解的过程没有产生新的基团,且证实了St能够接枝在淀粉结构上;TGA表明AHCS的初始分解温度随着酸水解温度的升高逐渐降低,接枝淀粉的热分解中包含聚苯乙烯的分解,说明苯乙烯成功接枝在淀粉骨架上;SEM显示酸水解过程使淀粉的表面结构被破坏,且酸水解温度越高,破坏程度越大,接枝淀粉的表面出现微纳米孔洞;XRD结果表明AHCS和接枝淀粉的结晶结构均发生了改变。  (2)随着溶液浓度的增加,70℃时水解淀粉的接枝共聚物(70℃-AHCS-g-St)静电纺丝所得到的纤维形貌从有大量珠状变得更加均匀;电压在15kV时得到相对均匀的无珠结的纤维;随着流速的增加,纤维的直径逐步增加;收集距离对纤维的直径具有双重的影响;随着针头内径的增加,纤维的直径分布变宽;环境温度从20℃升高至50℃,纤维的直径逐步减小,在60℃时直径又增大。AHCS-g-St共聚物静电纺丝膜的疏水性大于其流延膜的疏水性,接近超疏水性。  (3)FTIR表明St和BA能够同时接枝在AHCS上;接枝改性后,酸水解淀粉的热稳定性提高;接枝共聚物的表面更加的致密;随着酸水解淀粉接枝苯乙烯/丙烯酸丁酯共聚物溶液浓度的升高,溶液粘度和表面张力均增加,且在浓度为6%时,静电纺丝可以得到形貌较好的纤维;随着电压的增加,纤维的平均直径先减小后增大;随着流速的增加,纤维的平均直径增大;随着接收距离的增加,纤维的平均直径无规律性的变化;随着针头内径的增大,纤维的平均直径逐渐增大;环境温度在30℃时能够得到形貌较均匀的纤维,其他温度下有粘结和珠状结构的出现;接枝共聚物的接触角为127.72°,远大于AHCS的25.6°,疏水性明显提高。  (4)在AHCS接枝St/BA共聚物与PCL制备核壳纤维的研究中,随着核层PCL浓度的增加,珠状纤维逐渐减少,最后形成无珠粒纤维,且纤维的平均直径逐渐增大,随着核层PCL流速的增加,纤维的平均直径先减小后增大;通过对核壳纤维的透射电镜(TEM)和纤维断面SEM观察可以清晰的看到核壳结构;FTIR和TGA表明核壳纤维膜中同时含有接枝共聚物和PCL;核壳结构纤维膜的拉伸强度为1.575Mpa,弹性模量为12.63MPa。相对于单轴静电纺接枝共聚物和PCL纤维膜,核壳结构纤维膜的力学性能明显提高。核壳纤维膜对铀离子(U(Ⅵ))的吸附性能表明:溶液pH、吸附时间、核壳纤维膜用量、U(Ⅵ)初始浓度等因素对吸附效果均有影响。在pH为4、温度为25℃,核壳纤维膜用量为0.2g、吸附时间为450min的条件下,U(Ⅵ)的去除率相对较高。随溶液初始浓度的增大,U(Ⅵ)的吸附率逐渐减小。  (5)FTIR和TGA分析表明St和BA能够同时接枝在KGM骨架上;SEM表明KGM-g-St/BA共聚物的表面更加疏松;静电纺丝结果表明随着电压的增大,KGM-g-St/BA纤维的直径逐渐减小,随着流速、收集距离、针头内径和环境温度的增加,KGM-g-St/BA纤维的直径逐渐增加;通过对KGM-g-St/BA-PCL核壳纤维的TEM和纤维断面的SEM观察可以清晰的看到核壳结构;核壳结构纤维膜的拉伸强度为0.961Mpa,优于单轴静电纺丝KGM-g-St/BA的纤维膜,核壳结构纤维膜的力学性能有所提高;通过接枝改性和静电纺丝,KGM的疏水性能显著提高。
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