壳聚糖_聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究.pdf
《壳聚糖_聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《壳聚糖_聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43 卷第 5 期2023 年 10 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.5Oct.2023 收稿日期:2022-06-25 基金项目:国家自然科学基金资助项目(31971612)作者简介:曾文超(1997),男,广东韶关人,硕士生,主要从事生物质基功能材料研究;E-mail: 通讯作者:陈礼辉,教授,博士生导师,研究领域为植物资源化学与材料;E-mail:lihuichen 。doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.05.004壳聚糖/聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究
2、ZENG Wenchao曾文超1,2,孙浩东1,2,张宗威1,2,李建国1,2,陈礼辉1,2(1.福建农林大学 材料工程学院,福建 福州 350108;2.植物纤维功能材料国家林业和草原局重点实验室,福建 福州 350108)摘 要:采用乙酸(HAc)作为溶剂,配制壳聚糖(CS)/聚乙烯醇(PVA)纺丝液,探究纺丝液稳态流变和动态流变性能并考察其静电纺丝的可行性。研究结果表明:随着 CS 质量分数的增加,纺丝液的稠度系数、结构黏度指数、表观黏度、储能模量(G)、损耗模量(G)和复合黏度()均相应增加,非牛顿指数相应减小,不利于 CS/PVA 纺丝液静电纺丝。随着测试温度的增加,纺丝液的稠度系数
3、、结构黏度指数、表观黏度、G、G和 均相应减小,非牛顿指数相应增加,纺丝液流动性能加强,可纺性提升。当 CS 质量分数为 3.0%时,纺丝液在测试温度 30 下的稠度系数和结构黏度指数均较小,分别为 7.978 1 和 2.16,且非牛顿指数为 0.887 7 接近于 1,表明该纺丝液具有良好的流动性和加工性。结合 SEM 和流变行为分析,在室温条件下 CS 质量分数为 3.0%的CS/PVA 纺丝液呈现优异的可纺性,可以构建连续、均匀且不带珠状连结的纳米纤维。关键词:壳聚糖;稳态流变性能;动态流变性能;静电纺丝;纳米纤维中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(20
4、23)05-0025-07引文格式:曾文超,孙浩东,张宗威,等.壳聚糖/聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究J.林产化学与工业,2023,43(5):25-31.Rheological Behavior of Chitosan/Polyvinyl Alcohol and Its SpinnabilityZENG Wenchao1,2,SUN Haodong1,2,ZHANG Zongwei1,2,LI Jianguo1,2,CHEN Lihui1,2(1.College of Materials Engineering,Fujian Agriculture and Forestry Univers
5、ity,Fuzhou 350108,China;2.NationalForestry&Grassland Administration Key Laboratory for Plant Fiber Functional Materials,Fuzhou 350108,China)Abstract:The chitosan(CS)/polyvinyl alcohol(PVA)spinning solution was prepared using acetic acid(HAc)as solvent.Thesteady-state rheological and dynamic rheologi
6、cal properties were investigated,and the feasibility of electrospinning was examined.The results showed that with the increase of CS mass fraction,the consistency coefficient,structural viscosity index,apparentviscosity,storage modulus(G),loss modulus(G)and composite viscosity()of the spinning solut
7、ion increased accordingly,while the non-Newtonian index decreased accordingly,which was not conducive to the electrospinning of CS/PVA spinningsolution.With the increase of the test temperature,the consistency coefficient,structural viscosity index,apparent viscosity,G,Gnd of the spinning solution d
8、ecreased correspondingly,whereas the non-Newtonian index increased,the flow performance ofthe spinning liquid was strengthened and the spinnability was improved.When the mass fraction of CS was 3.0%,the apparentviscosity,consistency coefficient and structural viscosity index of the spinning solution
9、 at the test temperature of 30 weresmall,which were 1.650 Pas,7.978 1 and 2.16,respectively,and the non-Newtonian index was 0.887 7 close to 1,indicating that the spinning solution had good fluidity and processability.Combined with SEM and rheological behavior analysis,under room temperature the CS/
10、PVA spinning solution with a CS mass fraction of 3.0%exhibited excellent spinnability and couldconstruct continuous,uniform nanofibers without beaded connections.Key word:chitosan;steady-state rheological properties;dynamic rheological properties;electrospinning;nanofiber壳聚糖(CS)是甲壳素经脱乙酰化处理得到的一种线性阳离子
11、聚合物,具有良好的生物相容性、亲水性、抗菌性能以及优异的成膜性等优点,被广泛应用于食品、水处理、储能材料以及生物医药等领26 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷域1-4。通过静电纺丝技术可以将 CS 构筑纳米或亚微米级直径的 CS 纤维,并能够层层堆叠为多孔结构的薄膜,有望开发高孔隙率、可调孔径结构的壳聚糖膜材料5-6。但是,目前研究表明 CS 分子难以单独静电纺丝成膜7-8,这是由于 CS 分子间的同种电荷会相互排斥,导致其难以有效组装为纳米纤维。通过引入助纺剂,调控 CS 分子之间的相互作用,可以实现 CS 的静电纺丝过程9-11。Diana 等12以聚乙烯醇(PVA)为助纺剂,用于提
12、升 CS 的可纺性,结果表明:当 CS 与 PVA 的质量比为 11 时,可以静电纺丝出均匀、连续、无珠状的壳聚糖纳米纤维。张慧敏等10研究发现 CS 与 PVA 以 2 8 的质量比制备纺丝液,可以静电纺丝出平均直径为 76.31 nm 的 CS/PVA 纳米纤维,并成功应用于重金属的吸附脱除。纺丝液的流变性能是高分子聚合物静电纺丝能否成功的关键因素,决定纺丝纤维的质量及其材料的特性6,13。目前对 CS/PVA 纺丝液流变性能的研究鲜有报道,难以形成对 CS 静电纺丝的理论指导。因此,本研究采用质量分数为 70%的乙酸水溶液溶解 CS 和 PVA,系统探究 CS/PVA 纺丝液的稳态和动态
13、流变行为,并考察了 CS 质量分数和温度对纺丝液性质的影响,最终确定了常温条件下 CS/PVA 静电纺丝的最佳工艺条件,以期为 CS 静电纺丝的理论研究提供基础数据。1 实 验1.1 材料与仪器壳聚糖(CS),脱乙酰度95%;聚乙烯醇(PVA),相对分子质量 75 000 85 000,醇解度 98%99%,均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;冰乙酸(CH3COOH),市售分析纯。GT SONIC 超声仪;DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器;DZF-6050 型真空干燥箱;MARS型旋转流变仪,德国 Haake 公司;NANON-01A 型静电纺丝机,日本 MECC 株式会社;SU8
14、010 型冷场发射扫描电镜(SEM),日本日立公司。1.2 CS/PVA 纺丝液的配制采用磁力搅拌器在 60、300 r/min 条件下将 CS 和 PVA(质量比 1 1)溶于质量分数为 70%的乙酸水溶液中,然后超声波处理直至 CS 和 PVA 完全溶解,制得 CS 质量分数分别为 2.5%、3.0%、3.5%和 4.0%的 CS/PVA 纺丝液。1.3 CS/PVA 静电纺丝纳米纤维的制备将配制好的 CS/PVA 纺丝液装入注射器,选用针尖内径为 0.21 mm 的针头,将注射器固定在静电纺丝机上,在室温(30)和相对湿度为 45%55%的环境下,外加电压为 15 25 kV,注射器针头
15、与滚筒之间的距离为 10 15 cm,注射速度为 0.5 1.0 mL/h,滚筒的转速为 200 r/min 的条件下进行 CS/PVA 纺丝液的静电纺丝,使用贴有铝箔的滚筒进行接收,得到 CS/PVA 静电纺丝纳米纤维。1.4 CS/PVA 纺丝液流变性能的测定在旋转流变仪的锥板模式(C35/2)下测试 CS/PVA 纺丝液的流变性能。对于纺丝液的稳态流变行为,剪切速率()为 0 100 s-1,温度为 20 60,可以检测纺丝液的表观黏度(a)和剪切应力(),并基于公式 lg=lgK+nlg 和 =-100(dlga/d0.5),计算纺丝液的非牛顿指数(n)、稠度系数(K)和结构黏度指数(
16、)。对于 CS/PVA 纺丝液的动态流变行为,剪切频率(f)为 0.1 100 Hz,温度为20 60,可以检测纺丝液的储能模量(G)、损耗模量(G)和复合黏度()。1.5 CS/PVA 纳米纤维的形貌分析采用冷场发射 SEM 在 5 kV 的加速电压下对不同 CS 质量分数纺丝液静电纺丝制备的纳米纤维形貌进行观察。样品大小为 0.5 cm 0.5 cm,观察前通过溅射涂布机对样品表面喷金。2 结果与讨论2.1 CS/PVA 纺丝液的稳态流变性能2.1.1 CS/PVA 纺丝液的表观黏度 随 增加,不同 CS 质量分数的 CS/PVA 纺丝液的 a和剪切应力()的变化曲线见图 1。由图可知,当
17、 CS 质量分数一定时,随着 的增大,CS/PVA 纺丝液的 随之增第 5 期曾文超,等:壳聚糖/聚乙烯醇的流变行为及其可纺性研究27 大,而 a随之减小,呈现典型的“剪切变稀”特征,说明 CS/PVA 纺丝液为“假塑型流体”14。如图 1(b)所示,当 从0 s-1提高到20 s-1,CS 质量分数为3.0%的纺丝液在测试温度 30 下的 a从 3.442 Pa s降低到 2.598 Pa s。在 增大到一定程度后,a降低趋势减缓。这是因为在 达到一定程度时,纺丝液中 CS 和 PVA 分子的缠结点基本全部打开,对纺丝液 a的影响作用降低15。此外,随着测试温度升高,纺丝液的 和 a呈现减小
18、的趋势,如测试温度从 20 提高到 60,CS 质量分数为 3.0%的纺丝液在剪切速率20 s-1下的 a和 分别从7.899 Pa s 和258 Pa 降低到1.846 Pa s 和57 Pa。随着测试温度升高,纺丝液中分子的热运动加剧,大分子的缠结速率小于其解缠速率,分子间的相互作用力降低,导致大分子链之间滑移所需的剪切应力减小,从而提高 CS/PVA 纺丝液的流动性16。图 1 CS/PVA 纺丝液的表观黏度(a)和剪切应力()的变化Fig.1 Changes of apparent viscosity(a)and shear stress()of CS/PVA spinning sol
19、utions由图 1(a)(d)可知,在不同的 CS 质量分数下,CS/PVA 纺丝液的 a、与 之间呈现类似的变化规律。进一步考察 CS 质量分数对纺丝液 a和 的影响。在相同的 下,a和 随 CS 质量分数的增加而呈现增加趋势,例如 CS 质量分数从 2.5%(图 1(a)增加到 4.0%(图 1(d),纺丝液的 a和 分别从 1.584 Pa s 和 155 Pa 提高到 12.620 Pa s 和 1 228 Pa。这主要是因为纺丝液中溶质含量的增加容易导致大分子之间的相互缠结,进而增加纺丝液的 a和,降低纺丝液的流动性能17-18。2.1.2 CS/PVA 纺丝液的流体类型由图 1
20、可知,CS/PVA 纺丝液呈现“剪切变稀”特征,进一步用Ostwald-de-waele 公式(lg=lgK+nlg)17对其流体类型进行分析。其中,K 为稠度系数,n 为非牛顿指数。对不同 CS 质量分数的 CS/PVA 纺丝液的 lg 与 lg 进行线性拟合,拟合结果如表 1 所示。由表可知,相关系数(R2)均大于0.99,拟合曲线呈较好相关性,拟合结果可靠。CS/PVA 纺丝液的 n(0.769 4 0.981 0)均小于 1,表明不同 CS 质量分数的纺丝液均为假塑型非牛顿流体18。随着 CS 质量分数的提高,CS/PVA 纺丝液的 K 随之增大,而 n 则减小,如在 30 下,当 C
21、S 的质量分数从 2.5%上升至 4.0%,K 和 n 从 2.111 1 和 0.943 7 变为 40.049 8 和 0.804 8。这是因为随着纺丝液中溶质增加,大分子缠结机率提高,缠结程度加剧,从而增加纺丝液的黏度。此外,CS/PVA 纺丝液的 K 随着温度升高而减小,n28 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷则随之增大,如在纺丝液 CS 质量分数为 3.0%时,当测试温度从 20 上升至 60,K 和 n 从 12.482 5和0.842 5 变为2.387 8 和0.962 6。这可能是因为温度升高会加速分子热运动,提升分子的解缠速率,导致纺丝液黏度降低,此时有利于纺丝18。
22、表 1 CS/PVA 纺丝液的静态流变性能参数Table 1 Static rheological parameters of CS/PVA spinning solutionsCS 质量分数/%CS massfraction测试温度/test temperatureOstwald-de-waele 公式 Ostwald-de-waele formula稠度系数(K)consistencycoefficient非牛顿指数(n)non-newtonianexponent相关系数(R2)correlationcoefficient结构黏度指数()structural viscosity index
23、203.023 40.931 90.993 91.24302.111 10.943 70.990 11.092.5401.290 00.965 20.991 80.67501.221 00.970 90.994 70.58600.671 30.981 00.991 30.452012.482 50.842 50.994 02.61307.978 10.887 70.995 42.163.0405.442 50.914 30.994 11.78503.377 50.940 20.991 51.11602.387 80.962 60.990 60.952020.193 00.827 60.993
24、23.483014.252 80.848 00.998 42.743.5408.509 40.877 10.995 22.15504.955 60.907 60.992 91.65603.120 30.926 80.993 71.212044.126 60.769 40.991 74.633040.049 80.804 80.997 93.984.04025.609 40.810 10.993 43.635017.226 60.835 80.997 53.10609.326 10.887 30.998 42.122.1.3 CS/PVA 纺丝液的结构黏度指数 在描述流体流变行为时,常用结构黏度
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 聚糖 聚乙烯醇 流变 行为 及其 可纺性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。